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前沿 | 加州理工：Nature Physics-单光子级微波-光转换器突破问世！！！
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前沿 | 加州理工：Nature Physics-单光子级微波-光转换器突破问世！！！

前沿 | 加州理工：Nature Physics-单光子级微波-光转换器突破问世！！！ 两江科技评论
2025-06-17
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导读：近日，加州理工学院的研究团队，发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种无需光学谐振腔、却能在单光子水平运行的可扩展微波-光转换器。这种芯片级装置，可以在不损耗信息的前提下，将超导量子比特所用的微波信

导读

近日，加州理工学院的研究团队，发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种无需光学谐振腔、却能在单光子水平运行的可扩展微波-光转换器。这种芯片级装置，可以在不损耗信息的前提下，将超导量子比特所用的微波信号高效转化为可远距离传输的光信号。该工作以“Scalable microwave-to-optical transducers at the single-photon level with spins（可扩展的基于自旋的单光子级微波-光转换器）”为题，发表在《Nature Physics》上。

在构建未来量子互联网的进程中，一个重要的技术难点是：如何将短距离高保真度的“超导量子比特”通信信号（微波频率）与可以在光纤中远距离传输的“光子信号”有效对接。此次研究突破正是向这一难题发起了强有力的挑战。
研究团队采用掺杂稀土离子（171Yb³⁺）的钒酸钇（YVO₄）晶体，打造出一种无需复杂光学腔结构、却仍具备高效率与低噪声的“微波到光（M2O）”转导器。相比此前依赖高品质因数光学腔的设计，这种方案更易于芯片级集成和批量生产，有望成为量子通信系统中的标准组件。

稀土离子材料，超强非线性，打破性能瓶颈
传统微波-光转换器常依赖电光效应或声光耦合机制，但这些非线性效应通常极其微弱，必须辅以高Q值谐振腔才能提升效率，制造成本与系统复杂性随之飙升。而此次使用的171Yb³⁺离子因其独特的电子-核自旋结构，不仅在微波与光学频段都具有极窄的谱线宽度（分别低至160 kHz 和 92 MHz），还能形成一个强耦合的三能级系统，从而实现类χ(2)的强效非线性。
更惊人的是，该系统的等效非线性系数达到了 2 × 10⁷ pm/V，足足比传统电光材料如铌酸锂（LiNbO₃）高出 4 个数量级。这意味着，即便不依赖高Q腔结构，也能实现出色的频率转换效率。

芯片级架构：简单却不凡
整个装置构建于一块500 μm 厚的 Yb³⁺:YVO₄ 晶体上，微波输入通过超导共面波导耦合至一个电感环结构，而光信号则借助自由空间透射与反射形成弱干涉光腔。设计者刻意将光泵浦聚焦于微波线圈区域，以最大程度抑制非参与转换的“寄生自旋”噪声源。
在连续光泵浦模式下，芯片本体的转导效率达到了 1.1%；而通过脉冲初始化与短时探测的优化方案，则在仅 0.76% 效率的情况下，将附加噪声降低至 1.24(9) 个光子，逼近量子极限。实验中还首次实现了双转换器干涉——两个芯片同步运行，尽管微波谐振频率存在偏差，但得益于原子跃迁频率的高度一致性，仍能形成稳定干涉图样，证明其优越的可扩展性。
图1. 器件结构与原理示意图

兼具存储与抗噪：走向实用量子接口
本研究还揭示了该转导器具备“临时量子存储”能力：在微波或光泵浦信号提前到达的情况下，系统能以自旋或光学相干态形式暂存信息，等待转换指令。这一特性将可能减少频谱滤波器需求，提升系统重复率，并为未来“存储+传输”一体化的量子接口埋下伏笔。
此外，研究还系统地解析了两类主要噪声来源：一是因光泵加热超导微波腔所引发的热噪声，另一是自旋-声子耦合所产生的光致发光（PL）噪声。团队通过控制脉冲周期与功率，在平衡效率与噪声的基础上，找到了最优工作点——在 400 μW 光泵功率下，多次脉冲操作依然能保持 每次转换附加噪声低于 2 光子，适配于 5 kHz 的高重复率运行。

双芯片级联：量子读出网络雏形显现
研究人员还构建了两级“光-微波-光”链路：首先利用电光调制将激光信号转为微波，输入第一个芯片；经过芯片转导后，信号通过超导微波线传输至第二芯片，并再次被转换为光信号输出。最终通过干涉检测确认了整个链路过程中的 频率保持 与 相干性，展示了该平台作为量子读出与通信桥梁的潜力。


论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41567-025-02884-y


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