量子物理学：中性原子を用いた量子応用ミリメートル波光波変換

超伝導共振器内を通過する円形リュードベリ原子を用いた初期の実験は、現代の共振器量子電磁力学と回路量子電磁力学の基礎を築き、エンタングルメントなどの量子力学を決定付ける特徴の探求に役立った。それ以来、極低温原子と超伝導回路は、新しい物理の探求ではむしろ独立した道を歩んできたが、統合された系において両者の補完的な強みを生かすことによって、根本的に新しいパラメーター領域とデバイス機能を利用できる。今回我々は、低温⁸⁵Rb原子の集団を、我々の知る限りではこの種類では初めて光領域で利用できる三次元超伝導共振器と、振動を抑制した光共振器に、極低温（5 K）環境において同時に結合させた、そうした系について報告する。我々はこのプラットフォームの能力を実証するため、また、量子ネットワーキングを視野に入れて、リュードベリ原子と超伝導共振器の間の強い結合を利用して、ミリメートル波（ミリ波）光子から光波光子への量子応用変換器を実装した。そして、内部変換効率を58(11)％、変換帯域幅を360(20) kHz、印加熱雑音を0.6光子と測定した。これらの値は、パラメーターのない理論と一致する。この技術を拡張することで、ミリ波領域とマイクロ波領域の両方で１に近い効率の変換が可能になると思われる。より広く見れば今回の結果は、ミリ波/光波ハイブリッド量子科学の新しい分野を開き、計測や計算に有用なエンタングル状態の効率的な生成や、強い非局所相互作用を用いた量子シミュレーション/量子計算のための強結合領域深部での操作への見通しをもたらす。

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