Modular microwave-optical quantum transduction

• Grant number: 25/00880-8
• Support Opportunities: Program in Quantum Technologies (QuTIa) - Young Investigators
• Start date: February 01, 2025
• End date: January 31, 2027
• Field of knowledge: Physical Sciences and Mathematics - Physics - Condensed Matter Physics
• Principal Investigator: Rodrigo da Silva Benevides
• Grantee: Rodrigo da Silva Benevides
• Host Institution: Instituto de Física (IF). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brazil
• Associated research grant: 24/08455-1 - Modular microwave-optical quantum transduction, AP.QUTIA.JP

Abstract

A realização de transmissão de estados quânticos em longas distâncias e com alta eficiência é um dos grandes desafios para a comunidade de comunicações quânticas. Estados quânticos já conseguem ser criados e operados com grande fidelidade em diversas plataformas, por exemplo, com qubits supercondutores. Entretanto, a conexão desses dispositivos em distintas localidades ainda é bastante desafiadora e conseguir esse feito tem um potencial de alto impacto nessa área. Por um lado, isso irá permitir a interconexão de diferentes unidades de processamento quântico, aumentando a capacidade de processamento desses sistemas. Por outro lado, esse é um importante passo na direção da construção de uma internet quântica. E o melhor método que conhecemos hoje para a transmissão de informação via longas distâncias são as fibras ópticas. Por isso, existe um grande esforço na comunidade para se desenvolver uma forma de transformar os estados criados em qubits supercondutores em fótons ópticos que podem ser transmitidos por tecnologias típicas de telecomunicação. Diversos sistemas têm tentado realizar essa tarefa, em geral, se utilizando de dispositivos nanoestruturados. Apesar desses dispositivos possuírem inquestionável vantagem quando se trata de escalabilidade, a sensibilidade a variações na sua microfabricação e a dificuldade de operar com esses sistemas em altas taxas, devido à sua sensibilidade a potências ópticas, limitam o uso desses dispositivos. Outra abordagem consiste no uso de osciladores massivos que permitem o uso de altas potências ópticas. Entretanto, as dificuldades apresentadas pelas propostas experimentais até hoje feitas, com complicado alinhamento óptico e a necessidade de isolamento de vibrações externas, dificultam o uso dessa plataforma em mais larga escala. Por isso, neste projeto, proponho uma abordagem intermediária para o desenvolvimento de um transdutor quântico entre as frequências de microondas e ópticas, baseado numa abordagem intermediária. Eu proponho o uso de qualidades positivas das abordagens já experimentadas neste campo, com características adicionais que facilitam as dificuldades até agora observadas. Uma abordagem modular permitirá o desenvolvimento independente de cada sub-dispositivo, permitindo uma maior flexibilidade na realização da tarefa de transdutor. Em particular, usarei qubits supercondutores acoplados a ondas de superfícies em dispositivos massivos que serão lidas por intermédio de uma cavidade optomecânica alinhada previamente. Com essa abordagem, pretendo conseguir demonstrar a transdução de estados quânticos criados pelos qubits supercondutores para o regime óptico, e também a leitura por meio de qubit de estados criados na cavidade óptica. O desenvolvimento desse projeto contribuirá positivamente para o desenvolvimento da área de computação e comunicações quânticas em qubits supercondutores no Estado de São Paulo.