基于回音壁微腔与磁振子的微波到光波的相干频率转换

The coherent frequency conversion from microwave photon to optical photon is the core of many applications and research fields, such as microwave photonics, the superconducting quantum circuit based quantum network, and quantum communication, as well as the high sensitive radar. The aim of this proposal is realizing the high efficiency and tunable microwave to optical photon conversion based on magnon. We will build a coherent magnon-microwave photon strong coupling system, and the high-quality factor optical whispering gallery mode enhanced magnon-optical photon conversion. We will study the mechanism of the magnon-photon interactions, and theoretically explore the physical limitation of the device and optimize the performances. In addition, we will also study the potential application of the device in quantum state transfer, study the fidelity and the quantum channel capacity. This study will open a new avenue for the studies on the communications, quantum information processing, and defenses.

微波到光波光子的相干频率转换是微波光子学、基于超导量子芯片的量子网络和量子通讯、高灵敏度微波雷达探测的重要应用和研究领域的关键。本课题旨在实现基于回音壁模式微腔和磁振子的微波到光波频率可调的高效转换器件。以此为目标，在实验上搭建磁振子与微波腔的相干耦合和基于高品质回音壁模式增强的光学光子与磁振子转换系统，研究磁振子与光学光子的相互作用物理机制，理论探讨此器件的物理限制和性能优化，并研究基于该器件的量子态传输的保真度和量子信道容量。此项研究将为通讯、量子信息处理、国防等重要领域的研究开辟新的途径。

高效的微波到光波光子的相干转换是目前微波光子学、基于超导量子芯片的量子网络和量子通信、微波单光子探测等各个领域的迫切要求。以此为目标，我们在实验上探索出一套基于磁振子和YIG微球腔的微波光波转换关键技术，包括高品质YIG球腔的制备、高效率磁振子的激发和收集、光学回音壁模式的激发和收集、光子的自旋轨道耦合机理、光力与磁振子混合系统等。在理论上研究了微波光子到光波光子的相干转换的基本物理限制和可能的解决途径，并探索扩展了微波光波转换器件在未来集成光子和量子技术中的应用，为发展高效的光子频率相干转换提供新思路和新技术。本项目按照基金申请书的计划，具体执行项目申请书的研究方案，逐步完成了项目原定研究计划。基于YIG微球腔，我们实现了超大可调谐频率范围的单边带微波-光波频率转换，实现2.5GHz微波带宽的可调范围；进一步地扩展磁子与声子和光子的相干作用，我们基于YIG微球腔实现了更高效率且更大带宽(3GHz)微波光波转换。本项目在实验和理论两方面都取得了丰富的成果，共计发表论文30余篇，授权专利1项。