微波和光波段的电磁波是当今信息处理和通信系统中部署最广泛的信号载体。它们还在编码量子信息方面发挥着关键作用。在过去的几十年里，已经开发了各种量子位系统，其中一些利用了光频激发，包括俘获离子 、中性原子 、量子点和固态缺陷 ，以及其他在微波频率下工作的，包括超导量子位(superconducting qubits)和晶体中的自旋 （spin in crystal）。其中，超导量子位是最有前途的量子计算平台之一。在超导量子电路中，约瑟夫森效应(Josephon effect)固有的微波频率下的低损耗单光子非线性允许接近纠错阈值的高保真量子操作 。基于该电路量子电动力学 (cQED) 架构，已经开发出具有 50 多个量子位的原型量子计算机 。
Optica:微波-光量子频率转换综述
微波和光波段的电磁波是当今信息处理和通信系统中部署最广泛的信号载体。它们还在编码量子信息方面发挥着关键作用。在过去的几十年里，已经开发了各种量子位系统，其中一些利用了光频激发，包括俘获离子 、中性原子 、量子点和固态缺陷 ，以及其他在微波频率下工作的，包括超导量子位(superconducting qubits)和晶体中的自旋 （spin in crystal）。其中，超导量子位是最有前途的量子计算平台之一。在超导量子电路中，约瑟夫森效应(Josephon effect)固有的微波频率下的低损耗单光子非线性允许接近纠错阈值的高保真量子操作 。基于该电路量子电动力学 (cQED) 架构，已经开发出具有 50 多个量子位的原型量子计算机 。
然而，编码在微波光子中的量子态位于稀释冰箱的毫开尔文阶段，并且在达到室温时会被热噪声淹没。微波信号在室温下的高传输损耗进一步阻止了量子信号的长距离传播。另一方面，光学光子显示出互补的特征，是大空间尺度上通信的理想信息载体，例如，在光纤中超过 100 公里 和在自由空间中超过 1000 公里 。因此，将微波频率编码的量子态转换为光能力将极大地提高 cQED 作为量子信息处理平台和扩展量子计算网络，以及建立新形式的量子通信链接的可能性。
通过高保真微波-光学 (M-O) 转换器，微波量子电路还可以通过光学接口访问长寿命量子存储器。尽管取得了快速进展，但与使用离子获得的 100 秒寿命以及在氮空位 (NV) 中心的几个小时寿命和稀土自旋系统组件相比，超导量子位提供的 100 µs 到 ms 寿命仍然相对较短。显然，具有超导量子位和光可寻址量子存储器互补特性的混合量子系统将极大推进量子信息科学的进步 。
相反，室温量子光路，通过 M-O 转换，可以受益于最先进的 cQED 系统提供的按需微波光子源和高保真微波光子探测器。截至今天，按需单光子源仍然是量子光子学界的主要挑战。在微波电路中，借助超导量子位，可以可靠地生成按需单微波光子 。可以想象，这种微波光子可以通过理想的无损 M-O 转换器上转换为按需单光子。类似地，超导量子位和阵列可以用作光子数分辨探测器（这是量子光子学的另一个瓶颈），用于分析下转换的量子光学状态。
因此，未来的分布式量子网络可以同时利用微波频率下的量子信息处理能力和光频率下的低量子退相干能力。结合微波和光学技术的理想方法是在单个芯片上集成超导和纳米光子器件的集成器件平台，并允许微波和光频率之间的相干光子转换，而不会产生互连损耗。
超导电路中的微波和光网络中的光波的共同点是它们的超低损耗特性，这使得它们分别在超导体和光纤中的超快数字信号处理和高速数据传输中得到了应用。当结合在单芯片平台上时，它们提供了进一步的优势来提高经典应用中的设备性能。例如，光学技术可以通过超导单通量量子 (SFQ) 逻辑电路 或低温 cmos 处理器来检索低温数字数据处理器生成的大量数据。另一方面，超导纳米线和高动态电感器件（high-kinetic inductance）已成为光信号的有效检测器。
M-O转换器必须涉及非线性过程，以补偿微波和光子之间的巨大能量差异。直接 M-O 耦合非常弱。已经研究了许多方案来增强与各种非线性混频机制的耦合，包括光机械、电光、光磁、固态自旋、捕获的原子/离子等。
耶鲁大学的Xu Han(第一作者) Hong X. Tang（通讯作者）撰写综述文章，详细介绍了当前实现MO 系统方法，底层非线性过程以及 MO 转换所需的指标，重点是集成芯片级器件实现。
DOI:https://doi.org/10.1364/OPTICA.425414
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