微波信号与光学信号之间的量子波长转换器

技术领域

本发明属于微波信号与光学信号之间(以及光学信号与微波信号之间)的量子波长转换器领域。在转换器中使用了纳米级空腔光机电路，其中支持共定位的红外光子和微波声子的光机空腔与光子及声子波导相结合。

背景技术

本发明属于微波信号与光学信号之间(以及光学信号与微波信号之间)的量子波长转换器领域。

微波信号涉及电磁辐射的形式。微波具有约一米至一毫米的波长，并且因此具有在300MHz与300Ghz之间的频率。微波通常用于通信。然而，微波被限制在约64km的距离内。然而，对于频带的高端，实际的通信距离最多为约一公里。微波广泛用于现代技术和产品(诸如微波炉)中。

红外辐射(IR)是波长比可见光的波长更长的电磁辐射。典型的IR波长是约700纳米至1毫米。IR的行为既像波，又像量子粒子，即光子。

谐振器在某些特定频率(称为其谐振频率)下提供谐振。谐振器中的振荡可以是电磁的，也可以是机械的，因此可能涉及光子和声子。谐振器可用于生成特定频率的波或从信号中选择特定频率。一个示例是石英晶体，它产生非常精确且具有特定频率的振荡。空腔谐振器是一种在装置内部的中空空间中存在振荡的谐振器。

压电涉及电荷在固体材料(通常为晶体)中响应于所施加的机械应力或力而产生。压电效应被认为是由机械状态与电状态之间的机电相互作用引起的。在结晶材料中，可能不存在反演对称性。压电是可逆的过程。示例性材料是锆钛酸铅晶体。压电效应可用于产生超声波，并应用于各种应用和产品中。

近来，已经尝试通过以下来实现微波到光学的转换器：直接将其场耦合在非线性晶体内部，或通过使用机械系统作为换能器。其中实现了双向操作、相干耦合和高效转换。然而，这种转换只能在传统水平上实现。其中，输入状态被淹没在机械振荡器的热噪声中。这种添加的噪声使任何转换后的量子位状态对于进一步的量子处理毫无用处。为了操作可用于在长距离上链接若干个基于超导量子位的量子节点的功能齐全的量子换能器，至关重要的是，使在这种转换过程中添加的热噪声最小化。

一些出版物叙述了射频波、光波和声波之间的耦合。例如Balram等人在自然科学(Nature Phonics)第10卷，第5期，2016年3月18日，第346-352页叙述了耦合传播和局部声子模式。Andrews等人在自然物理学(Nature Physics)第10卷，第4期，2014年4月1日，第321-326页叙述了微波与光学光之间的转换。

因此，本发明涉及一种改进的在微波信号与光学信号之间的量子波长转换器，所述量子波长转换器解决了现有技术的以上问题和缺点中的一者或多者，提供了可靠的结果，而没有损害功能性和优点。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的装置的一个或多个限制，并且至少提供一种替代方式。本发明也是Forsch、Stockill和

在本发明的量子波长转换器中，光学输入91和光学输出92可以独立地选自光学波导，诸如玻璃纤维。于是提供了高效的光学输入91和高效的光学输出92。光学波导可以优选地是逐渐变细的，从输入向前开始加宽，并且可以优选地具有高效率性质，例如通过通常通过输入光纤接收到的光学信号与波导的绝热模式转换，和/或波导与输出光学信号之间的绝热模式转换。可以各自通过逐渐变细(从宽到细，反之亦然)来绝热地调整输入(和同样地，输出)光纤和波导的折射率，以使得折射率交叉并且光学模式在两者之间传递。于是得到将光耦合到芯片上，诸如将光学输入纤维(和同样地，光学输出纤维)的光学模式绝热传递到片上波导(以及从片上波导绝热传递光学输入纤维(和同样地，光学输出纤维)的光学模式)的高效方法。

在第二方面，本发明涉及一种包括至少一个本发明的量子波长转换器的量子网络或量子计算节点。

由欧洲研究委员会(ERC StG Strong-Q，拨款676842)和荷兰科学研究组织(NWO/OCW)Vidi拨款(680-47-541/994)的资助使本发明成为可能。

本发明提供了一个或多个上述问题的解决方案，并克服了现有技术的缺点。

在整个说明书中详细描述了本描述的优点。

本发明的具体描述

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，光学信号可以具有400nm-1mm、优选地800nm-15000nm、更优选地1000nm-3000nm、甚至更优选地1200nm-2000nm，诸如1400nm-1700nm的波长。波长特别适合于在长距离(例如10km-1000km)上传递信号。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，微波可以具有在0.3GHz-300GHz的范围内、优选地1GHz-100GHz、更优选地1.4GHz-20GHz，诸如2GHz-10GHz的频率。这些频率通常用于在相对短的距离上(例如，少于10km且通常在几百米内)传递信息。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，光学输入可以向转换器提供10nW-1μW、优选地20nW-500nW，诸如30nW-300nW的功率。在不具有光吸收抑制层的情况下，结合所施加的这些功率，实验上无法达到量子基态能量或与其接近的能量(参见下文)。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，可以使用具有焦距的透镜光纤，所述焦距适合于所使用的光的波长，诸如14μm的焦距。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，微波输入93和微波输出94可以独立地选自光子波导(诸如晶体波导)和同轴电缆。微波输入可能会衰减，诸如衰减若干分贝。同轴电缆优选地在操作温度下是超导的，诸如Al电缆。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，声子波导可以在波导的一个或多个侧面处设置有声子屏蔽件。屏蔽件用作隔音绝缘体。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，耦合器10可以在量子基态能量的1000％内、优选地在100％内、更优选地在50％内，诸如在15％内。尽管上限1000％可能看起来很高，但发现它对于许多应用来说足够低；重要的是，仍然可以如此区分量子。注意，能量优选地尽可能低。发明人已经达到“接近基态”的水平，诸如在其(+)50％内、并且甚至在其15％内。注意，在通常施加的光功率下，发现GaAs不适合，因为实验上耦合器则高于量子基态能量的1000％左右或以上(最多为300％)。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，耦合器10可以适于分别生成至少一种激发或至少一个光子或至少一种(进一步的)量子态。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，声子发生器/检测器21、22可以包括至少一个叉指式导电触点23。这些触点诸如通过激活压电层提供了单声子的良好且可靠的生成/检测。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，声子发生器/检测器21、22可以包括超导量子位，并且耦合器10可以包括与发生器/检测器和/或量子位电接触的外部电压连接件26、27。通常可以提供电压以便控制本发明的装置并操作所述装置或其部分。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，声子发生器21和声子检测器22可以是至少一个压电层，诸如晶体学压电层。通过这样的层，实现了单声子的良好且可靠的生成/检测。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，压电层可以与光吸收抑制层相结合，或者可以选自光吸收抑制层(即，可以如此施加而无需另外的光吸收抑制层，因为所述层已经具有如此的功能)，诸如III/V材料，其中“III”材料选自B、Al、Ga、In和Tl，并且其中“V”材料选自：N、P、As和Sb(诸如GaN、GaP、AlN和AlP，但不包括GaAs)；以及铌酸盐、钽酸盐和钒酸盐，诸如其一价盐，诸如其包含Li的盐，诸如LiNbO

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，光学谐振器30优选地可以是平面谐振器，诸如晶体谐振器，并且可以包括至少一个孔36，每个孔具有长轴高度(h)和短轴宽度(w)，其中高度为0.1μm-2.0μm，并且宽度为0.1μm-2.0μm，并且其中孔的间隔(a)(中心至中心)为0.3μm-2.0μm，所述间距优选地在谐振器上是恒定的。这样的光学谐振器可以机械地耦合到本发明的声子发生器/检测器并且在单光子水平下操作。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，光学谐振器30可以包括10-2000个孔36，其中孔以1*10至20*100的阵列排列。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，孔36的形状可以选自椭圆形、圆形、多角形(诸如六角形)、在其侧面处具有突起37的多角形(诸如具有突起的六角形)。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，每个光学谐振器30各自可以具有150nm-1mm、优选地200nm-10000nm、甚至更优选250nm-1000nm的厚度(t)；1μm-10000μm、优选地5μm-1000μm、更优选地10μm-500μm，诸如20μm-300μm的总宽度(w

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，光学谐振器的材料可以选自III/V材料，诸如GaAs；以及LiNbO

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，光吸收抑制层32可以选自介电材料，其中介电材料的阳离子选自Al、Ti、Ta和Si，并且其中介电材料的阴离子选自O、N和C以及它们的组合。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，光吸收抑制层32可以是共形层，其与下面结构(即本发明的光学谐振器)的轮廓一致。因此，所述层在整个层上具有大约相同的厚度。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，光吸收抑制层可以具有1nm-10nm、优选地2nm-8nm，诸如4nm-6nm的厚度。发现相对薄的层足以完全或几乎完全抑制光吸收。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，光吸收抑制层32可以是ALD层和化学氧化层中的至少一者。发现这些技术非常适合于提供此类层。还可以提供多于一个层，每个层的厚度为总层厚度的一部分。另外，多个层的(化学)组成可以不同。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，光吸收抑制层32可以吸收小于1ppm的提供至其上的(光学信号)光子，诸如小于5ppb。这种水平足够低，以至于不会在其单个水平上干扰光子和声子生成。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，冷却器50可以适于将微波到光学耦合器10冷却至低于1K、优选地低于300mK、更优选地低于100mK、甚至更优选地低于25mK，诸如低于15mK的温度。已经发现，较低的温度提供了本发明的系统的甚至更好的量子行为。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，至少一个微波到光学耦合器10可以集成在一个膜40内。考虑到其制造并且考虑到其操作，这是优选的。然而，注意，在替代的示例性实施方式中，诸如在芯片中，至少一个微波到光学耦合器10的一部分或全部实际上可以不悬置并且可以以其他方式集成。

在本发明的量子波长转换器的示例性实施方式中，膜40可以在其拐角区段处被拴系70到框架71。发现拴系件和框架可减少不希望的干扰，诸如振动。

在示例性实施方式中，本发明的量子波长转换器可以包括至少一个光学输入91和至少一个微波输出94，或者可以包括至少一个光学输出92和至少一个微波输入93，或者可以包括至少一个光学输入91和至少一个光学输出92以及至少一个微波输入93和至少一个微波输出94。所以，例如，取决于本发明转换器的预期用途，各种配置都是可用的。

在示例性实施方式中，本发明的量子波长转换器可以独立地包括至少一个声子发生器21和至少一个声子检测器22。声子检测和声子生成可以作为单独的实体提供，这在某些应用中可能是有利的。

在示例性实施方式中，本发明的量子波长转换器可以适于以脉冲模式操作。

在下文中，将通过以下实施方式进一步阐明本发明，所述实施方式是示例性的且说明性的，并且不旨在被认为是对本发明的限制。对于本领域技术人员而言，清楚的是，可以想到许多变型，无论其显而易见与否，都落入本发明权利要求所限定的保护范围内。

附图说明

图1a至图1e示意性地示出了本发明装置的细节。

图2a至图2e示出了实施例和获得的结果。

具体实施方式

在附图中：

a 中心至中心间隔孔36-36

d 光学谐振器的深度

h 孔36的高度

t 光学谐振器的厚度

w 孔36的宽度

w

1 量子波长转换器

10 微波到光学耦合器

21 声子发生器

22 声子检测器

23 叉指式导电触点

26 外部电压连接件

27 外部电压连接件

30 光学光子发生器和/或光学光子检测器

31 光机谐振器

32 光吸收抑制层

36 孔

37 突起

40 膜

50 冷却器

70 拴系件

71 框架

91 光学输入

92 光学输出

93 微波输入

94 微波输出

图1a示出了本发明装置1的示意性设置。示出了光学输入91和微波输入93以及光学输出92和微波输出94。在右侧处，示出了诸如例如图2所示的声子发生器21和声子检测器21和22。将光子提供给光学光子发生器和/或光学光子检测器30或者从其接收光子。声子和光子发生器可以一起称为微波到光学耦合器。这些可以全部作为一个单一结构提供，诸如在膜40上提供。整个系统被冷却到非常低的温度，通常远低于5K，并以此类温度操作。图1b示出了光学光子发生器和/或光学光子检测器30，其包括光机谐振器31，并设置有覆盖谐振器和检测器的大部分或全部的光吸收抑制层32。发生器/检测器30具有厚度t、w深度d和总宽度w

实施例

在一个实施例中，发明人提供了一种在量子极限下操作的微波到光学换能器。压电光机晶体被冷却到其量子基态。它通过表面声波耦合到微波电路。在微波(电信)波长下，弱相干微波脉冲首先转换成机械模式，然后转换成光子模式。平均使用少于单声子。本发明装置在量子极限下操作。传统噪声是有限的。装置由1D光机晶体(OMC)组成，如图2(b)所示，其通过表面声波机械地耦合到叉指式换能器(IDT)。装置包括250nm厚的GaAs层。提供了大的折射率和良好的压电性质。图2c示出了装置的有限元模拟。IDT能够在GaAs装置层中激发表面声波(SAW)，并且被设计为在与机械模式相同的频率下操作，以便有效地将能量传递到机械模式中。接近表面，诸如距表面约500nm提供SAW。装置包括5nm的AlO

在mK温度下测量从微波到光学电信信号的转换。红失谐的反斯托克斯光脉冲被发送到OMC中，以将机械模式的状态转换成光子。RF驱动音调的频率扫过机械谐振。结果表明，相干微波可靠地转换成相干光学信号，只具有机械谐振器的基态占用的固定的热贡献。此外，这些测量结果表明检测机械谐振器中直至单声子的初始状态的位移幅度的能力。即使在最低功率下，也可以确认相干微波分量的转换。使用本发明装置证明了在单量子水平上将相干GHz微波转换为光学电信信号。