特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。早期在超导谐振腔中通过圆形里德堡原子的实验奠定了现代腔和电路量子电动力学的基础，并有助于探索纠缠等量子力学的定义特征。而超冷原子和超导电路在探索新物理的过程中采取了相当独立的路径，利用它们在集成系统中的互补优势，可以获得全新的参数体系和器件能力。在这里，芝加哥大学Aishwarya Kumar等人报道了这样一个系统，在低温(5 K)环境中，将冷85Rb原子的集合同时耦合到一个光学可达的三维超导谐振器和一个振动抑制光学腔中。为了演示该平台的功能，并着眼于量子网络，作者利用里德堡原子和超导谐振器之间的强耦合来实现量子使能的毫米波(毫米波)光子到光学光子换能器。测量的内部转换效率为58(11)%，转换带宽为360(20)kHz，并添加了0.6光子的热噪声，与无参数理论一致。该技术的扩展将允许在毫米波和微波体制中实现近乎统一的效率转导。更广泛地说，该结果开辟了混合毫米波/光学量子科学的新领域，具有在强耦合体系中高效生成计量或计算上有用的纠缠态以及具有强非局部相互作用的量子模拟/计算的前景。值得一提的是，Aishwarya Kumar正在斯坦福大学Jonathan Simon教授团队（本文最后一位作者）从事博士后研究，而Aishwarya Kumar也是本文的第一作者兼唯一通讯作者。作者将冷的Rydberg修饰原子强耦合到与光学腔交叉的超导毫米波谐振器，并利用这一独特的平台来相互转换光学和毫米波光子。这些突破是由一种新的三维毫米波谐振器和一种紧密集成设计的稳振光学腔实现的。毫米波谐振器将光子限制在大约λ3/10的体积内，同时保持形成光学腔，负载和光学定位原子所需的光学通道。
通过执行实验来描述相互转换过程的步骤，这些实验将光学光子增量地环绕转导环。首先省略UV驱动，并将原子从毫米波腔中分离，在典型的Rydberg电磁感应透明(EIT)构型中，只留下与光学腔和481 nm控制场耦合的三能级原子。在引入量子化毫米波腔场之前，研究了经典毫米波场对暗极化子共振的影响。这个场将极化子的36S1/2原子分量驱动到35P1/2状态，产生暗极化子的Autler-Townes分裂。由此产生的避免交叉作为毫米波驱动频率的函数，有助于提取原子跃迁频率，从而确定来自毫米波腔的原子失稳(∆)。接着，通过改变原子和(未驱动的)毫米波腔之间的失谐来探索原子与毫米波腔真空的耦合。
为了系统地研究相互转换，首先通过35P1/2状态的稳态处理分数改变∆，∆控制毫米波转换的集体协同性。如果固定失谐并改变原子数(改变光学协同性Co和Cmm)，可以观察到转换效率变化中类似的阻抗匹配。测量的峰值效率为58(11)%，带宽为360(20)kHz，与无参数理论(实体曲线)一致。为了确保观察到的噪声光子不是相干的背景，当改变外部相干毫米波驱动强度时，作者测量了转换光子g(2)(τ)的二阶强度相关函数。
为了表征热噪声，在阻抗匹配点附近操作换能器，改变紫外激光频率以频率转换换能带，并绘制观测到的光学计数率。在没有外部毫米波驱动器的情况下，观察到一个广泛的不对称特征，当添加一个弱相干驱动器时，会出现一个窄峰。作者设想了进一步提高传感器性能和耦合超导量子比特的明确途径。目前转换效率受到481 nm激光器的拉比频率的限制。对毫米波模式和481 nm/UV激光偏振的修改将显著提高481 nm、UV和毫米波谐振器耦合强度，从而将效率推向接近100%。
Kumar, A., Suleymanzade, A., Stone, M. et al. Quantum-enabled millimetre wave to optical transduction using neutral atoms. Nature 615, 614–619 (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-023-05740-2
