在分布式量子网络中，实现微波光子与光学光子之间的高效转换是连接超导量子计算系统与光通信系统的关键。近年来，各种微波-光波换能方案被广泛探索，在原子、电光、电-光力等多种系统中实现了光子转换，并且演示了光子纠缠和超导量子比特读取等。但大多数换能器的工作频率固定，难以适配多种量子比特频率，限制了其可扩展性；此外，换能器在提高效率、降低噪声和提升可集成性等方面仍然存在巨大挑战。为此，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的李贝贝研究员团队提出了一种基于磁-光力系统的集成可调谐微波-光波换能器，该设计在理论上表现出高效率、低噪声与频率可调等特性，为量子接口的小型化与实用化提供了新思路。
研究团队提出将共面波导微波谐振器与镀有FeGaB薄膜的回音壁模式光学微腔通过倒装焊技术集成（图a），以实现模块化、可独立优化的微波与光量子接口。虽然FeGaB材料磁子阻尼率较高，但其优异的磁致伸缩特性与CMOS工艺兼容性，为实现较强的磁力耦合和磁子-微波耦合提供了可能。通过结构优化可以显著提高微波-磁子耦合强度（达30 MHz）和单磁子-声子耦合强度（最高2.6 Hz），较以往研究提升1–2个数量级。
理论计算表明，该换能器在实验可达参数下可实现超过50%的微波-光子转换效率，带宽大于10 kHz，在10 mK低温环境中可实现接近量子极限的附加噪声（~1）（图c-g）。通过调节外磁场，其工作频率可在数GHz范围内连续调谐，显著增强与不同频率量子比特的兼容性。此外，团队还分析了该换能器在单光子态传输中的保真度，在脉冲宽度窄于换能器带宽时，可实现接近于1的保真度（图h），这为未来量子信息处理提供了潜在应用基础。该转换器还具备较强的可扩展性，可通过微加工技术制备阵列，未来有望应用于量子传感和量子网络中的中继节点。
图1. 磁-光力系统可调谐集成换能器的原理示意、理论结果图。(a) 磁-光力系统可调谐集成换能器的结构示意图；(b) 磁-光力系统可调谐集成换能器的换能原理和相互作用；(c)在特定微波泵浦功率下的转换效率与光波泵浦功率和信号频率的关系；(d)-(g)信号频率与微波模式频率共振时的转换效率、带宽，噪声光子数目；(h)不同磁振子模式线宽下单光子态保真度与信号线宽的关系。
本工作受到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、科技创新2030重大项目、中国科学院项目等的资助。中国科学院物理研究所李贝贝研究员为通讯作者，博士生刘健飞、胡志刚为共同第一作者。相关成果以“Integrated and tunable microwave-to-optical transduction via magno-optomechanics”为题，于2025年9月11日发表在Physical Review A 112, 033512 (2025)。
文章信息：
Integrated and tunable microwave-to-optical transduction via magno-optomechanics | Physical Review A (journals.aps.org)
撰稿|课题组
