摘要gydF4y2Ba
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gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，并帮助探索量子力学的定义特征，如纠缠。尽管超冷原子和超导电路在探索新物理学的过程中走了相当独立的道路，但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性能gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba．在这里我们报道这样一个系统，耦合一个冷的集合gydF4y2Ba85gydF4y2Ba据我们所知，Rb原子同时进入了一个光学可达的三维超导谐振腔gydF4y2Ba4gydF4y2Ba以及低温(5 K)环境中的振动抑制光学腔。为了展示这个平台的能力，并着眼于量子网络gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，利用Rydberg原子与超导谐振腔之间的强耦合，实现了量子使能的毫米波(mmwave)光子对光学光子换能器gydF4y2Ba6gydF4y2Ba．我们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，我们的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的前景gydF4y2Ba7gydF4y2Ba以及具有强非局部相互作用的量子模拟/计算gydF4y2Ba8gydF4y2Ba．gydF4y2Ba
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确认gydF4y2Ba
本研究由美国国家科学基金会(NSF)通过QLCI-HQAN号资助。2016136，由陆军研究室通过MURI批准no.;W911NF2010136和由空军科学研究办公室通过MURI批准no。fa9550 - 16 - 1 - 0323。它也得到了芝加哥大学材料研究科学与工程中心的支持，该中心由美国国家科学基金会资助。dmr - 1420709。M.S.承认NSF GRFP的支持。我们感谢E. Riis和P. Griffin为我们的低温MOT制作光栅。gydF4y2Ba
作者信息gydF4y2Ba
作者及隶属关系gydF4y2Ba
贡献gydF4y2Ba
实验由A.K.， a.s.， M.S.， L.T.， D.I.S.和J.S.设计。仪器由A.K.， a.s.， M.S.和L.T.建造。数据收集由A.K.和L.T.负责。所有作者都对数据进行了分析并对手稿做出了贡献。gydF4y2Ba
相应的作者gydF4y2Ba
道德声明gydF4y2Ba
相互竞争的利益gydF4y2Ba
作者声明没有利益竞争。gydF4y2Ba
同行评审gydF4y2Ba
同行评审信息gydF4y2Ba
自然gydF4y2Ba感谢David Petrosyan和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。gydF4y2Ba
额外的信息gydF4y2Ba
出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。gydF4y2Ba
扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba
扩展数据图1低温系统和毫米波控制。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba、低温gydF4y2Ba85gydF4y2BaRb陷阱。原子从安装在室温下的分配器源发射，通过光栅背面的一个小孔径传播到光栅MOT的捕获体积。亥姆霍兹线圈和所有支撑结构都加热到40K。gydF4y2BabgydF4y2Ba毫米波电路，用于表征超导腔，并将毫米波光子送入相互转换实验。来自“科学”源的大部分功率被转移到功率探测器上，该探测器使用电压控制衰减器(VCA)主动稳定毫米波功率。科学和调谐源都配备了rf开关，以完全熄灭任何信号到腔。gydF4y2BacgydF4y2Ba定制的双室4K低温系统为我们的混合腔qed实验建造。gydF4y2Ba
扩展数据图2能级结构、极化和空腔特性。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，涉及转导的水平和光偏振。毫米波腔(绿色)科学模沿光学腔(红色)方向线性偏振。我们选择(通过磁场和光泵浦)沿晶格束方向的量化轴，同时实现相位匹配和零角动量变化的往返。与该量化轴正交的毫米波模偏振可以分解为的线性组合gydF4y2BaσgydF4y2Ba+gydF4y2Ba而且gydF4y2BaσgydF4y2Ba−gydF4y2Ba偏振。UV光束(紫色)是线性偏振的正交于晶格方向和光学腔轴，因此也可以分解为线性组合gydF4y2BaσgydF4y2Ba+gydF4y2Ba而且gydF4y2BaσgydF4y2Ba−gydF4y2Ba偏振。481 nm光束和780 nm探头(或发射的相互转换光子)沿晶格方向线性极化，因此具有gydF4y2BaπgydF4y2Ba相对于量化轴的偏振。我们从光泵到拉伸的超细磁亚能级开始，这就产生了紫外线gydF4y2BaσgydF4y2Ba+gydF4y2Ba分量和毫米波gydF4y2BaσgydF4y2Ba−gydF4y2Ba组件未耦合到任何可用状态。由这些极化产生的拉曼耦合效应由于磁场提升简并度而被抑制。gydF4y2BabgydF4y2Ba反射测量的光学腔的端口，光子计数在我们的任何实验中描述的主要文本。最小反射点直接产生(gydF4y2Ba\ (1 - 2 {\ kappa} _{{选择}}^ {{ext}} / {\ kappa} _{{选择}}\)gydF4y2Ba）gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．灰色线为模型拟合，由于腔体极化分裂小，探头极化杂质，有轻微偏差。gydF4y2BacgydF4y2Ba，利用暗极化子/EIT共振的位移“原位”测量毫米波腔谱。原子跃迁是远失谐的(2gydF4y2BaπgydF4y2Ba× 12.4 MHz)从腔和毫米波驱动器在频率周围进行扫描gydF4y2Ba腔gydF4y2Ba共振。由此产生的暗极化子ac-Stark位移与腔内毫米波功率成正比。灰色的线是一个拟合的洛伦兹修正，以说明从原子的驱动的变化失谐的影响。gydF4y2Ba
扩展数据图3原子状态的斯塔克调谐。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba， 36S的计算ac Stark位移gydF4y2Ba1gydF4y2Ba/gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和35 pgydF4y2Ba1gydF4y2Ba/gydF4y2Ba2gydF4y2Ba“科学”状态的功率在101.318 GHz“调谐”模式的腔体增加。原子状态的调整使我们能够控制原子跃迁和毫米波腔之间的失稳(∆)，用于换导，以及图中所示的其他实验。gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba．gydF4y2BabgydF4y2Ba，当我们在调谐模式上改变经典驱动器时，我们测量36S的位移gydF4y2Ba1gydF4y2Ba/gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和35 pgydF4y2Ba1gydF4y2Ba/gydF4y2Ba2gydF4y2Ba使用腔里德堡EIT和直接紫外光谱从5SgydF4y2Ba1gydF4y2Ba/gydF4y2Ba2gydF4y2Ba状态,分别。这个校准使我们能够推断出35PgydF4y2Ba1gydF4y2Ba/gydF4y2Ba2gydF4y2Ba从36S转向(这涉及到更多的日常测量)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba/gydF4y2Ba2gydF4y2Ba通过腔体里德堡EIT测量位移。我们发现我们的计算和观测到的位移非常一致。gydF4y2Ba
图4暗极化子的purcell样展宽。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，数据同图。gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba，而是包含附加原子-毫米波腔失谐处光谱的完整数据集(正文中为∆)，为清晰起见，在正文的图中省略了。对于这个数据集，我们简单地改变了“调谐”场的强度来改变原子状态，但没有改变481纳米的频率——这将需要保持暗极化子与光学腔的频率相同(∆gydF4y2Ba探针gydF4y2Ba= 0 MHz)。这种不对称性的产生是因为在毫米波原子跃迁与毫米波腔共振的那一点上gydF4y2Ba光学谐振腔gydF4y2Ba481 nm光束与5S不共振gydF4y2Ba1gydF4y2Ba/gydF4y2Ba2gydF4y2Ba↔36年代gydF4y2Ba1gydF4y2Ba/gydF4y2Ba2gydF4y2Ba过渡。gydF4y2BabgydF4y2Ba，主方程模拟的数据gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，使用SI B中导出的非线性哈密顿量(公式S8)，其中所有参数均通过有和没有481 nm光束的光谱以较大∆进行实验测量。这个不包括gydF4y2BaggydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba热光子的数量，是根据第一性原理计算出来的。在这两个gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba而且gydF4y2BabgydF4y2Ba，实线为洛伦兹拟合。gydF4y2BacgydF4y2Ba，由理论和实验的洛伦兹拟合得到的线宽。我们发现两者之间有很好的一致性，从而对我们的模型建立了信心。暗极化子由于与亮极化子混合，在边缘处又开始变宽。gydF4y2Ba
图5测量腔内光子数(gydF4y2BangydF4y2Baph值gydF4y2Ba)从色散转移。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，左-在原子-毫米波腔失谐下，当“科学”模式驱动强度增加时，测得的暗偏振子/Rydberg EIT谱，∆= 2gydF4y2BaπgydF4y2Ba× 1.4 MHz。我们首先用rf开关(橙色)完全关闭毫米波源来测量参考频谱。主动锁定毫米波驱动器(使用功率检测器和VCA，参见gydF4y2Ba方法gydF4y2BaA、扩展数据图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)，然后增加强度(浅蓝色到深蓝色)。实线是洛伦兹拟合。右-随着锁定设定点的增加，通过拟合左面板中的光谱来提取移位。请注意，即使在最低的锁定设定值，也有一些来自VCA的泄漏，这就需要在没有毫米波功率的情况下测量左面板中的橙色参考。在阈值之后，移位饱和，因为VCA达到最低衰减，并且没有更多的毫米波驱动功率可用。gydF4y2BabgydF4y2Ba，主方程计算的数据gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba利用由方程给出的非线性哈密顿量gydF4y2Ba4gydF4y2Ba根据第一性原理独立测量或计算参数(gydF4y2BaggydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba以及热光子的数量)和一个附加的相干驱动器。这个计算允许我们校准相干驱动的光子数(gydF4y2BangydF4y2Baph值gydF4y2Ba)和EIT共振的色散位移。左-用洛伦兹拟合的计算谱。右-位移的EIT共振反对的数字毫米波光子驱动进入腔内的相干驱动在稳态。简单的一阶表达式(红色)高估了位移。相反，我们在SI C中计算并使用更准确的分析结果(绿色)。gydF4y2Ba
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库马尔，A，苏莱曼扎德，A，斯通，M。gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba量子毫米波与中性原子的光学转换。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba615gydF4y2Ba， 614-619(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-023-05740-2gydF4y2Ba
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