微波和光波段的電磁波是當今信息處理和通信系統(tǒng)中部署廣泛的信號載體岭参。它們還在編碼量子信息方面發(fā)揮著關鍵作用。在過去的幾十年里尝艘，已經開發(fā)了各種量子位系統(tǒng)演侯，其中一些利用了光頻激發(fā)，包括俘獲離子 背亥、中性原子 秒际、量子點和固態(tài)缺陷 ，以及其他在微波頻率下工作的狡汉，包括超導量子位(superconducting qubits)和晶體中的自旋 （spin in crystal）娄徊。其中，超導量子位是有前途的量子計算平臺之一盾戴。在超導量子電路中寄锐，約瑟夫森效應(Josephon effect)固有的微波頻率下的低損耗單光子非線性允許接近糾錯閾值的高保真量子操作 〖夥龋基于該電路量子電動力學 (cQED) 架構橄仆，已經開發(fā)出具有 50 多個量子位的原型量子計算機 。
Optica:微波-光量子頻率轉換綜述
微波和光波段的電磁波是當今信息處理和通信系統(tǒng)中部署廣泛的信號載體衅斩。它們還在編碼量子信息方面發(fā)揮著關鍵作用盆顾。在過去的幾十年里，已經開發(fā)了各種量子位系統(tǒng)矛渴，其中一些利用了光頻激發(fā)，包括俘獲離子 惫搏、中性原子 具温、量子點和固態(tài)缺陷 ，以及其他在微波頻率下工作的筐赔，包括超導量子位(superconducting qubits)和晶體中的自旋 （spin in crystal）铣猩。其中，超導量子位是有前途的量子計算平臺之一茴丰。在超導量子電路中达皿，約瑟夫森效應(Josephon effect)固有的微波頻率下的低損耗單光子非線性允許接近糾錯閾值的高保真量子操作 』呒纾基于該電路量子電動力學 (cQED) 架構峦椰，已經開發(fā)出具有 50 多個量子位的原型量子計算機 。
然而汰规，編碼在微波光子中的量子態(tài)位于稀釋冰箱的毫開爾文階段汤功，并且在達到室溫時會被熱噪聲淹沒。微波信號在室溫下的高傳輸損耗進一步阻止了量子信號的長距離傳播溜哮。另一方面滔金，光學光子顯示出互補的特征色解，是大空間尺度上通信的理想信息載體，例如餐茵，在光纖中超過 100 公里 和在自由空間中超過 1000 公里 科阎。因此，將微波頻率編碼的量子態(tài)轉換為光能力將極大地提高 cQED 作為量子信息處理平臺和擴展量子計算網絡忿族，以及建立新形式的量子通信鏈接的可能性锣笨。
通過高保真微波-光學 (M-O) 轉換器，微波量子電路還可以通過光學接口訪問長壽命量子存儲器肠阱。盡管取得了快速進展格嗅，但與使用離子獲得的 100 秒壽命以及在氮空位 (NV) 中心的幾個小時壽命和稀土自旋系統(tǒng)組件相比森枪，超導量子位提供的 100 μs 到 ms 壽命仍然相對較短。顯然，具有超導量子位和光可尋址量子存儲器互補特性的混合量子系統(tǒng)將極大推進量子信息科學的進步 琴昆。
相反，室溫量子光路囚戚，通過 M-O 轉換磁携，可以受益于 cQED 系統(tǒng)提供的按需微波光子源和高保真微波光子探測器。截至今天鉴吹，按需單光子源仍然是量子光子學界的主要挑戰(zhàn)姨伟。在微波電路中，借助超導量子位豆励，可以可靠地生成按需單微波光子 夺荒。可以想象良蒸，這種微波光子可以通過理想的無損 M-O 轉換器上轉換為按需單光子技扼。類似地，超導量子位和陣列可以用作光子數分辨探測器（這是量子光子學的另一個瓶頸）嫩痰，用于分析下轉換的量子光學狀態(tài)剿吻。
因此，未來的分布式量子網絡可以同時利用微波頻率下的量子信息處理能力和光頻率下的低量子退相干能力串纺。結合微波和光學技術的理想方法是在單個芯片上集成超導和納米光子器件的集成器件平臺丽旅，并允許微波和光頻率之間的相干光子轉換，而不會產生互連損耗纺棺。
超導電路中的微波和光網絡中的光波的共同點是它們的超低損耗特性榄笙，這使得它們分別在超導體和光纖中的超快數字信號處理和高速數據傳輸中得到了應用。當結合在單芯片平臺上時祷蝌，它們提供了進一步的優(yōu)勢來提高經典應用中的設備性能办斑。例如，光學技術可以通過超導單通量量子 (SFQ) 邏輯電路 或低溫 cmos 處理器來檢索低溫數字數據處理器生成的大量數據。另一方面乡翅，超導納米線和高動態(tài)電感器件（high-kinetic inductance）已成為光信號的有效檢測器鳞疲。
M-O轉換器必須涉及非線性過程，以補償微波和光子之間的巨大能量差異蠕蚜。直接 M-O 耦合非常弱尚洽。已經研究了許多方案來增強與各種非線性混頻機制的耦合，包括光機械靶累、電光腺毫、光磁、固態(tài)自旋挣柬、捕獲的原子/離子等潮酒。
耶魯大學的Xu Han(第1作者) Hong X. Tang（通訊作者）撰寫綜述文章，詳細介紹了當前實現MO 系統(tǒng)方法邪蛔，底層非線性過程以及 MO 轉換所需的指標急黎，重點是集成芯片級器件實現。
DOI:https://doi.org/10.1364/OPTICA.425414
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