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北京量子院拓扑量子计算团队在超导腔光力反激光(anti-lasing)及量子信息存储研究领域取得重要实验进展

2022-01-07

 

日前,北京量子院拓扑量子计算团队助理研究员刘玉龙等与芬兰阿尔托大学米卡教授课题组合作,在超导腔光力反激光(anti-lasing)以及量子信息存储研究方面取得重要实验进展。2021年12月29日,相关工作以《Optomechanical Anti-lasing with Infinite Group Delay at a Phase Singularity》为题在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表。

反激光(anti-lasing)是激光的时间反演, 对应入射电磁波的相干完美吸收——反激光在提高光伏发电效率、实现雷达隐身、生物医学检验以及超高灵敏度探测等诸多领域具有重要的应用价值。通常情况下,通过调节入射电磁波的相对相位,诱发干涉相消,可以实现器件对入射电磁波的相干完美吸收(CPA)。除了基于多束光的干涉相消,空间-时间反演(PT)对称性破缺也可诱发入射电磁波的自发吸收。在PT对称破缺点,系统非线性明显被加强且可进一步相干囚禁入射光子。随着量子光学技术的快速发展及其在量子通讯以及计算中的应用,在少光子或纠缠状态下研究CPA变得尤为重要,但在固态量子处理芯片上的实现非常具有挑战性,在很大程度上限制了在量子区实现CPA以及基于反激光的一系列应用。

腔光力器件在宏观量子效应、精密测量以及量子信息处理等领域有着重要的应用价值——机械振子可以被边带冷却至基态,进入量子区后仍可具备很长的相干时间。量子化的声学模式可与各种频段电磁波耦合。因此,腔光力系统是一类重要的固态量子存储、转换以及相干接口器件。量子腔光力器件在固态量子信息处理以及达到量子极限的精密测量等领域均具有重要的应用价值。作为一类重要的量子相干接口,光力器件也将在构建大规模量子比特芯片以及量子网络上起到关键作用。

图 1(a)超导腔光力器件;(b) 机械电容结构示意图,以及(c)器件集总参数模型。

我院拓扑量子计算团队助理研究员刘玉龙、高级工程师刘其春、博士后陈臻等与芬兰阿尔托大学米卡教授课题组合作,在微波频段构建超导腔光力器件,开展了基于低频机械振动控制高频光子传输的系列研究工作。通过边带泵浦,机械振子的热声子通过反斯托克斯过程,参量上转化为高频光子并被吸收一个热声子。与此同时,转换的光子可与入射电磁波发生破坏性干涉,进而实现反激光,也就是基于机械诱导的光子相干完美吸收。实验上构建的超导腔光力器件如图1所示。振动的氮化硅薄膜,品质因子高达108(Q~108),线宽仅是毫赫兹量级。氮化硅薄膜的振动改变腔内机械电容,进一步会引起微波腔谐振频率的变化,构成色散类型的光辐射压耦合。通过红边带泵浦,光力相互作用工作在线性耦合区。实验上可以通过精确控制外界泵浦的能量大小实现对线性化光力耦合强度的精确控制。

图 2 斜率突变以及π-相位跃迁

低频振子对入射激光的相干完美吸收以及谐振频率处相位的奇异跃迁——在该工作中,基于光力辐射压诱导的反斯托克斯散射以及不同跃迁路径之间的破坏性干涉,实现了低频振动对高频激光的可控吸收。通过精确控制干涉强度,实验上精度接近单光子辐射压力,耦合强度可无限接近临界耦合并对入射激光实现超过50dB以上的能量吸收。当耦合强度达到临界耦合强度时,入射激光完全干涉相消;当超过边界耦合强度,边带光子足够超过谐振腔本底谱线,光力诱导透明发生。

奇异点处的群延时以及快慢光——在临界耦合强度附近,除了相干完美吸收外,该工作还揭示共振频率处相位出现π-相位跃迁。如图2所示,该突变引起相位对频率的导数随着耦合强度不连续演化,暗示了一阶相变的出现。这里相位的导数可对应电磁波传播的群速度。特别是相位斜率在临界耦合强度时,出现正负号反转,因此相位跃迁也将诱导群速度出现奇异点,群延时由负无穷变为正无穷。图3展现了临界耦合强度附近,群延时趋于正负无穷且随着耦合强度超过Gc,出现快慢光的急剧跃迁。通常情况下电磁诱导的透明以及吸收分别可用于实现慢光以及快光。该工作表明,相干完美吸收发生时,相位的跃迁将改变系统快慢光的属性。受益于机械振子的高品质因子,当器件工作在典型的电磁诱导透明区间时,群延时时间依然可以接近一秒量级,相对于目前文献中报道的存储时间有了三个数量级以上的提升。研究揭示了奇异点附近接近无穷长时间的群延时效应。除了基于自旋或者频梳等技术手段,光力反激光的实现以及相位奇异点的系统研究,为实现超长时间量子态存储开辟了新思路。

文章还进一步指出多级相位跃迁存在的可能性,并给出了在光力增益放大区间实现以及观测的具体方案。该实验还可拓展到铁磁自旋、光子分子、电路QED、表面等离子激元、量子点等固态量子系统中,并进一步基于多级相变开发长时间以及大容量的固态量子信息存储器件。

图3 共振频率处的群延时随耦合强度变化曲线

该工作得到了量子调控与量子信息重点专项、国家自然科学基金、科学挑战计划以及芬兰科学院基金的支持。

原文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.273603

来源:北京量子信息科学研究院

 



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