JP6186514B2 - 光マイクロ波量子トランスデューサ - Google Patents

Description

この開示は、光マイクロ波量子トランスデューサに関する。具体的には、この開示は、ナノフォトニック・スラブを有する光マイクロ波量子トランスデューサに関する。

ナノフォトニクス（またはナノ光学）は、ナノメートルスケールの光の挙動に関する。ナノフォトニクスは、深くサブ波長に及ぶ長さスケールにおける、粒子または物質との光の相互作用に関する光工学の一部門と見なされている。ナノ光学の領域における技術としては、近接場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ：near-field scanning optical microscopy）、光アシスト走査型トンネル顕微鏡、および表面プラズモン光学素子が挙げられる。産業界が数ナノメートルのスケールの材料および現象の特性評価により関心を持つようになるにつれて、ナノフォトニクスに対する関心は高まり続けている。

超伝導マイクロ波工学は、光の波長が通例、回路構成要素の空間スケールをはるかに超える、ＧＨｚ周波数またはその付近における電磁励起の挙動に関する。超伝導体回路の構成要素は超伝導材料から作製され、ほぼ零抵抗で動作させることができる。超伝導工学はマイクロ波工学と同様の特徴を多く共有している。

マイクロメカニックスおよびナノメカニックスは、マイクロメートルおよびナノメートルスケールにおける機械共振器の研究に関する。主たる関心は、機械モード周波数が減衰率、例えば、高い品質係数（quality factor）よりもはるかに大きい時の動作にある。機械共振器のこのような研究は、メゾスケールにおける量子限定測定および量子動力学に対する見識をもたらしている。

一実施例は、第１のナノフォトニック・スラブおよび第２のナノフォトニック・スラブを含み得る光マイクロ波量子トランスデューサに関する。第１および第２のナノフォトニック・スラブの各々は光学領域および超伝導領域を含み得る。第１のナノフォトニック・スラブは、基板に固定されて回転軸を中心とした第１および第２のナノフォトニック・スラブ間の相対回転を促進する一対のねじり梁を含み得る。光マイクロ波量子トランスデューサは、第１のナノフォトニック・スラブの光学領域と第２のナノフォトニック・スラブの光学領域との間のギャップを含み得る。このギャップは光信号に応じた光学キャビティを形成する。この光学キャビティは、回転軸を中心とする第１のナノフォトニック・スラブの機械的振動を誘発することができる。この機械的振動は、第１のナノフォトニック・スラブの超伝導領域と第２のナノフォトニック・スラブの超伝導領域とに結合された超伝導キャビティ上にて電気変調を誘発することができる。

別の実施例は、超伝導キャビティに電気的に結合されるとともに、光学キャビティに光学的に結合されたナノフォトニック・スラブを含み得る光マイクロ波量子トランスデューサに関する。ナノフォトニック・スラブは、光学キャビティ内における励起または超伝導キャビティ内における電気変調に応じて回転軸を中心として機械的に振動するように構成され得る。励起によって誘発された機械的振動は超伝導キャビティ内における電気変調を誘発することができる。電気変調によって誘発された機械的振動は光学キャビティ内における励起を誘発することができる。

さらに別の実施例は、光マイクロ波量子トランスデューサを超伝導温度において格納する冷却ユニットを含むシステムに関する。光マイクロ波量子トランスデューサは、超伝導キャビティに電気的に結合されるとともに、光学キャビティに光学的に結合されたナノフォトニック・スラブを含み得る。ナノフォトニック・スラブは、光学キャビティ内における励起または超伝導キャビティ内における電気変調に応じて回転軸を中心として機械的に振動するように構成され得る。光学キャビティは光チャネルに光学的に結合され得る。超伝導キャビティは、空間的に分離された真空ギャップキャパシタおよびインダクタを含み得る。真空ギャップキャパシタのプレートは、ナノフォトニック・スラブ上に形成され得る。システムはまた、光ファイバを含む光チャネル上における光信号を送信および受信するように構成されたノードを含む。ノードは冷却ユニットの外部に位置し得る。

光チャネルに沿って伝搬する光信号を超伝導回路内で伝搬される電気信号に変換するための、およびその逆を行うためのシステムの一例を示す図である。 光マイクロ波量子トランスデューサの一例を示す図である。 図２に示される光マイクロ波量子トランスデューサの側面図である。 光マイクロ波量子トランスデューサの一例を示す３次元図である。 ねじり梁の長さおよび幅に応じたねじり周波数をプロットしたグラフを示す図である。

光マイクロ波量子トランスデューサは、光チャネルから放出された光信号を機械エネルギー（例えば、軸を中心とする振動）に変換するように構成され得る。また、このような機械エネルギーによって、光マイクロ波量子トランスデューサは超伝導キャビティ（例えば、超伝導回路）における電気（量子）変調を誘発し、これにより機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。同様に、超伝導キャビティにおける電気変調を光マイクロ波量子トランスデューサにおける機械エネルギーに変換することができる。それにより、光マイクロ波量子トランスデューサは、光チャネル上に光信号を誘発することができる。このようにして、超伝導キャビティは冷却ユニット内に格納され、光チャネルを介して別のノードと通信することができる。

光マイクロ波量子トランスデューサは、ナノフォトニック・スラブ（例えば、２次元ナノフォトニック結晶）を有する光学キャビティを含むことができる。ナノフォトニック・スラブは、基板に固定されたねじり梁（torsional beams）によって分離された光学領域および超伝導領域を含むことができる。光学キャビティまたは超伝導キャビティ内における励起によって、ナノフォトニック・スラブは軸を中心として回転することができる。光マイクロ波量子トランスデューサは、単一光子の、完全に可逆なレベルで動作することができる。

図１は、光チャネル６に沿って伝搬する光信号を、超伝導キャビティ７（例えば、超伝導回路）内で伝搬される電気信号に変換するため、およびその逆を行うための光マイクロ波量子トランスデューサ４を含む変換システム２の一例を示す。変換システム２は、内部に回路構成要素を収容可能な冷却ユニット８を含むことができる。いくつかの例では、冷却ユニット８は、回路構成要素の温度を、臨界温度（Ｔ_ｃ）を下回る温度に低下させることができる。回路構成要素を形成する材料の臨界温度は、その温度以下にて回路構成要素が超伝導を達成するという温度である。いくつかの例では、超伝導のために必要な臨界温度は、約１０〜約３０ミリケルビン（ｍＫ）の温度とすることができる。

光チャネル６は光ファイバから形成され得る。いくつかの例では、光チャネル６は、ナノフォトニック・スラブなどのナノフォトニック結晶１２に結合され得る放出領域１０を含むことができる。放出領域１０は、例えば、テーパ状の光学領域や、劈開された光ファイバの研磨端部などとして実装することができる。ナノフォトニック結晶１２は、半透明ミラーとすることができる。ナノフォトニック結晶１２は、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの、約２の屈折率を有する材料を用いて形成することができる。一例では、ナノフォトニック結晶１２を貫いて格子孔をくり抜くことができる。このような場合、光チャネル６の放出領域１０から放出された光子は、ナノフォトニック結晶１２の第１の側１４からナノフォトニック結晶１２の第２の側１６へ伝達され得る。ナノフォトニック結晶１２は約１００マイクロメートル（μｍ）×１００μｍの面積を有することができ、格子孔における各孔は約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約２０ｎｍの半径を有することができる。ナノフォトニック結晶１２は、ナノフォトニック・スラブ１８（例えば、２次元ナノフォトニック結晶）と平行に位置付けることができる。さらに言えば、ナノフォトニック結晶１２もナノフォトニック・スラブ１８と見なし得ることが理解される。ナノフォトニック・スラブ１８は、ナノフォトニック結晶１２と同じ材料から形成することができる。

ナノフォトニック・スラブ１８は、別の格子孔を有する光学領域２０を含むことができる。いくつかの例では、ナノフォトニック結晶１２およびナノフォトニック・スラブ１８内の格子孔は同じパターンを有することができる。ナノフォトニック結晶１２およびナノフォトニック・スラブ１８内の格子孔は、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの半径を有することができる。ナノフォトニック・スラブ１８はまた、超伝導キャビティ７に結合可能な超伝導領域２２を含むことができる。超伝導キャビティ７は、ナノフォトニック・スラブ１８の超伝導領域２２を覆うキャパシタ２６の第１のプレートを含むことができる。キャパシタ２６の第２のプレートは、第１のプレートから約１０〜３０ｎｍの距離だけ離間して配置されて、真空ギャップキャパシタを形成することができる。キャパシタ２６はインダクタ２８と並列に結合され得る。インダクタ２８は、例えば、中央タップが設けられたスパイラルインダクタであってよい。キャパシタ２６およびインダクタ２８は、超伝導キャビティ７を形成する超伝導ＬＣ回路となり得る。ナノフォトニック・スラブ１８は、ナノフォトニック・スラブ１８の光学領域２０と超伝導領域２２との間に位置付けられたねじり梁３０によって基板に固定することができる。ねじり梁３０は、ナノフォトニック・スラブの本体から垂直に延在するカンチレバーとして形成することができる。

いくつかの例では、ナノフォトニック結晶１２およびキャパシタ２６の第２のプレートは基板上にエッチングすることができる。他の例では、ナノフォトニック結晶１２および第２のプレートは、基板を覆うかまたは基板と一体化された共通のナノフォトニック・スラブ上にエッチングすることができる。

ナノフォトニック結晶１２からナノフォトニック・スラブ１８へ伝達された光子は、ナノフォトニック結晶１２とナノフォトニック・スラブ１８との間に捕捉されて、光学キャビティ３２を形成することができる。光学キャビティ３２内における励起は光圧力を介してナノフォトニック・スラブ１８上にトルクを誘発し、ナノフォトニック・スラブ１８の光学領域２０を矢印３４によって示された方向に回転させることで、ナノフォトニック・スラブ１８の機械的振動を生じさせることができる。その結果、ナノフォトニック・スラブ１８の超伝導領域２２は矢印３６によって示された方向に回転し、それによりキャパシタ２６の第１および第２のプレート間の相対運動（例えば、矢印３８によって示されるような、ねじり梁３０を中心とした相対回転）が生じる。このような相対運動（例えば、振動）は、キャパシタ２６およびインダクタ２８上に（矢印４０によって示された）電流を誘発させるなどの超伝導キャビティ７上における電気変調を誘発し、これにより、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

逆に、超伝導ＬＣ回路（例えば、超伝導キャビティ７）によって電気変調（例えば、電流）を誘発することができる。電気変調は、ナノフォトニック・スラブ１８の超伝導領域２２上に機械的力を誘発して、ナノフォトニック・スラブ１８を振動させることができる。ナノフォトニック・スラブ１８の振動は、光学キャビティ３２内に、ナノフォトニック・スラブ１８の光学領域２０からナノフォトニック結晶１２の第２の側１４へ伝達される光子（例えば、励起）を誘発することができる。誘発された光子は、ナノフォトニック結晶１２の第２の側１４から光チャネル６上へ伝達することができる。

いくつかの例では、変換システム２は量子状態の伝達を可能にする。具体的には、変換システム２は、光チャネル６における光学モードの量子状態を、超伝導ＬＣ回路における電気モードに対して対応付けること、またはその逆を可能にする。このような量子状態の伝達は、２つの異なるモード間の通信を可能にする。加えてまたは代替的に、変換システム２は、反復する光子伝達を可能にし、これは、光学モードにおける散乱が電気モードにおいて反映されること、またはその逆をもたらす。

光チャネル６はノード４２に結合することができる。ノード４２は光入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートを含むことができる。いくつかの例では、ノード４２は、超伝導キャビティ７（例えば、別の超伝導ＬＣ回路）を有する別の変換システム２とすることができる。このように、ノード４２の超伝導キャビティ７は、光チャネル６によって分離された距離（例えば、最大１０キロメートル以上）を隔てて変換システム２の超伝導キャビティ７と通信することができる。代替的に、ノード４２は、例えば、コンピュータとして実装することができる。この場合には、ノード４２は、変換システム２を介して制御信号を超伝導キャビティ７へ光学的に送ることができる。

ナノフォトニック・スラブ１８は２つの点（ねじり梁３０）において固定されるのみであるため、変換システム２は低いクランピング損失を達成する。さらに、キャパシタ２６は、超伝導キャビティ７を形成する超伝導ＬＣ回路のキャパシタ２６とインダクタ２８との間の比較的大きな関与率を有し得る平行板キャパシタ（例えば、真空ギャップキャパシタ）として実装することができる。

光マイクロ波量子トランスデューサ４の構成要素は共通の集積回路（ＩＣ）チップ上に製造することができる。すなわち、光学構成要素および電気構成要素は両方とも、同じＩＣチップ上に一体化することができる。さらに、このようなＩＣチップは最新の製造技術を用いることによって、外的位置合わせを必要とすることなく製造することができる。

図２は、例えば、図１の光マイクロ波量子トランスデューサ４を実装するために用いることができる光マイクロ波量子トランスデューサ５０の別の例を示す。図３は、図２の光マイクロ波量子トランスデューサ５０の側面図を示す。説明を簡単にするために、図２および図３では、同じ構造を表すものには同じ参照符号を用いている。光マイクロ波量子トランスデューサ５０は、例えば、約１０ｎｍの距離だけ分離される平行ナノフォトニック・スラブ５２，５４を含むことができる。光マイクロ波量子トランスデューサ５０は、光マイクロ波量子トランスデューサ５０の周囲温度を、超伝導のために必要な臨界温度（例えば、約１０ミリケルビン（ｍＫ）〜約３０ｍＫの温度）を下回る温度に低下させることができる冷却ユニット内に収容することができる。

各ナノフォトニック・スラブ５２，５４は光学領域５６および超伝導領域５８を含むことができる。平行ナノフォトニック・スラブ５２，５４の各々は、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの約２の屈折率を有する材料から形成することができる。平行ナノフォトニック・スラブの光学領域５６および超伝導領域は対称的であるように示されているが、他の例では、光学領域５６および超伝導領域５８は非対称的であってもよい。平行ナノフォトニック・スラブ５２，５４のうち、第１のナノフォトニック・スラブ５２は、支柱６２を介して基板に固定されたねじり梁６０を含むことができる。ねじり梁６０は、第１のナノフォトニック・スラブ５２の本体から延在するカンチレバーとすることができる。さらに、第１のナノフォトニック・スラブ５２は、平行ナノフォトニック・スラブ５２，５４の第２のナノフォトニック・スラブ５４を覆うことができる。いくつかの例では、第２のナノフォトニック・スラブ５４は基板内にエッチングすることができる。他の例では、第２のナノフォトニック・スラブ５４は、基板を覆うかまたはそれと一体化されることができる。

ねじり梁６０は軸６４に沿って延在する。さらに、第１のナノフォトニック・スラブ５２のねじり梁６０は、平行ナノフォトニック・スラブ５２，５４間の相対運動（例えば、相対回転）を可能にする。より具体的には、ねじり梁６０は、矢印６６によって示された方向における第１のナノフォトニック・スラブ５２の光学領域５６の（トルクを通じた）運動を可能とすることにより、矢印６８によって示された方向における第１のナノフォトニック・スラブ５２の超伝導領域５８内の運動を生じさせるとともに、軸６２を中心とした矢印７０，７２の方向における逆の運動を可能にする（例えば、「シーソー」運動を可能にする）。このように、第１のナノフォトニック・スラブ５２は機械的振動を提供することができる。

第１のナノフォトニック・スラブ５２および第２のナノフォトニック・スラブ５４の光学領域５６は、最大約１０μｍ×約１０μｍの面積を有することができる。第１のナノフォトニック・スラブ５２および第２のナノフォトニック・スラブ５４の光学領域５６は、その内部に凹設されるかまたはエッチングされた格子孔７４を含むことができる。第１のナノフォトニック・スラブ５２および第２のナノフォトニック・スラブ５４内の各孔７４は、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの半径を有することができる。格子孔７４は、図２に示されるように、六角形パターンなどの特定のパターンを有するように配置することができる。他の例では、格子孔７４の異なるパターンを用いることができる。

第２のナノフォトニック・スラブ５４の光学領域５６は、半透明ミラーによって形成することができる。第２のナノフォトニック・スラブ５４の光学領域５６は、光Ｉ／Ｏポート７６から発する光信号を受信することができる。いくつかの例では、光Ｉ／Ｏポート７６は、光チャネル７７（例えば、光ファイバ）に沿って伝達されるレーザなどの送信機を含むことができる。加えて、Ｉ／Ｏポート７６は、フォトダイオードなどの受信器を含むことができる。いくつかの例では、光チャネル７７を省くことができる。このような場合には、Ｉ／Ｏポート７６は、フォトニック結晶、誘電体導波管などの延長部として実装することができる。光信号は、約１００ＴＨｚ〜約５００ＴＨｚ（例えば、約２００ＴＨｚ）の周波数を有することができる。第２のナノフォトニック・スラブ５４の光学領域５６の第１の表面内に伝達される光子の一部は、第２のナノフォトニック・スラブ５４を通して第１のナノフォトニック・スラブ５２の光学領域５６の第１の表面へ伝達され得る。光子は、第１および第２のナノフォトニック・スラブ５２，５４の光学領域５６の間に捕捉されて、これにより、矢印７８によって示された領域内に光学キャビティ（例えば、共振キャビティ）を形成することができる。

光学キャビティ７８内における励起は、第１のナノフォトニック・スラブ５２の光学領域５６に対する光圧力を生じさせることができる。このような光圧力は、矢印６６，６８，７０，７２によって示された方向における機械的振動を誘発することができる。振動の間に、第１のナノフォトニック・スラブ５２は、例えば、約０．５ｎｍ〜約２ｎｍの距離にて運動することができる。したがって、光マイクロ波量子トランスデューサ５０は、光エネルギーを機械エネルギーに変換することができる。式１は、光学キャビティ７８と第１のナノフォトニック・スラブ５２（例えば、機械振動子）との間の光機械結合率を特徴付ける。式１が示すように、光機械結合率は１ナノメートル当たり約５ＴＨｚ（５ＴＨｚ／ｎｍ）とすることができる。

ここで、Ｇ_omは、光学キャビティ７８内における光子の周波数と、第１のナノフォトニック・スラブ５２と第２のナノフォトニック・スラブ５４との間の直線変位との関係を特徴付ける光機械結合率である。

ω₀は、光学キャビティ７８内におけるラジアン単位での光子の周波数である。
ｘは、第２のナノフォトニック・スラブ５４に対する第１のナノフォトニック・スラブ５２のナノメートル単位での直線変位の距離である。

平行ナノフォトニック・スラブ５２，５４の超伝導領域５８は、超伝導アルミニウムまたはその他の超伝導材料８０などの、超伝導材料８０の層（例えば、プレート）によってコーティングすることができる。平行ナノフォトニック・スラブ５２，５４の超伝導領域５８上の超伝導材料８０の各層は、真空ギャップキャパシタ８２のプレートを形成することができる。真空ギャップキャパシタ８２のキャパシタンスは式２によって定義することができる。

ここで、Ｃは、真空ギャップキャパシタ８２のキャパシタンスである。

ε₀は、自由空間の誘電率である。
ｄは、真空ギャップキャパシタ８２の第１のプレートと第２のプレートとの間の距離である。

Ａは、真空ギャップキャパシタ８２の第１のプレートの面積である。
真空ギャップキャパシタ８２の第１のプレートの面積は、約１０μｍ^２（例えば、約２〜５μｍ×約２〜５μｍ）〜約１００μｍ^２（例えば、約１０μｍ×約１０μｍ）以上とすることができる。真空ギャップキャパシタ８２は、基板ならびに平行ナノフォトニック・スラブ５２，５４上にエッチングすることができる導電性トレース８６を介してインダクタ８４に並列に結合され得る。インダクタ８４は、例えば、低キャパシタンス誘発要素として実装することができる。いくつかの例では、導電性トレース８６のうちの１つは、ねじり梁６０に沿ってエッチングすることができる。インダクタは、例えば、正方形スパイラルインダクタとすることができる。真空ギャップキャパシタ８２およびインダクタ８４は、約１０ＭＨｚ〜約１ＧＨｚの周波数において共振することができる超伝導ＬＣ回路（例えば、ＬＣ共振器）となる超伝導キャビティを形成することができる。例えば、ＬＣ回路が約１０〜１００ＭＨｚの共振周波数を有する場合には、真空ギャップキャパシタ８２の第１のプレートは、約１０〜１００マイクロメートル程度の辺長および幅を有することができる。また、ＬＣ回路が約１ＧＨｚの共振周波数を有する場合には、真空ギャップキャパシタ８２の第１のプレートは、約２〜３マイクロメートル程度の辺長および幅を有することができる。

第２のナノフォトニック・スラブ５４に対する第１のナノフォトニック・スラブ５２の振動は、真空ギャップキャパシタ８２のプレート上に電気変調（例えば、電荷）を誘発し、この電気変調が超伝導ＬＣ回路内に電流を誘発する。したがって、光マイクロ波量子トランスデューサ５０は機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

式３は、機械振動子と超伝導キャビティとの間の電気機械結合率を特徴付けることができる。式３が示すように、電気機械結合率は１ナノメートル当たり約１００ＭＨｚ（１００ＭＨｚ／ｎｍ）とすることができる。

ここで、Ｇ_emは、超伝導キャビティ内における電気変調の周波数（例えば、ＬＣ回路内における電流の周波数）と、第１のナノフォトニック・スラブ５２と第２のナノフォトニック・スラブ５４との間の直線変位との関係を特徴付ける電気機械結合率である。

ω_eは、超伝導キャビティにおけるラジアン単位での電気変調の周波数（例えば、ＬＣ回路内における電流の周波数）である。
ｘは、第２のナノフォトニック・スラブ５４に対する第１のナノフォトニック・スラブ５２のナノメートル単位での直線変位の距離である。

光マイクロ波量子トランスデューサ５０のねじり周波数は、式４〜式６を用いて計算することができる。

ここで、Ω_mは、光マイクロ波量子トランスデューサ５０のねじり周波数である。

κは、第１のナノフォトニック・スラブ５２（パドル振動子）のねじりばね定数である。
Ｉ_pは、第１のナノフォトニック・スラブ５２（パドル振動子）の総慣性モーメントである。

ばね定数κは、式５を用いて計算することができる。

ここで、ｌ_rは各ねじり梁６０の長さである。

ｈ_rおよびｗ_rは、各ねじり梁６０の断面寸法であってｈ_r＞ｗ_rである。
μは式６によって特徴付けられる。

ここで、Ｙは、第１のナノフォトニック・スラブ５２を形成するために用いられる材料のヤング係数である（Ｓｉ_３Ｎ_４の場合、約１００〜２５０ＧＰａ）。

νは、第１のナノフォトニック・スラブ５２を形成するために用いられる材料のポアソン比である（Ｓｉ_３Ｎ_４の場合、約０．２２〜０．２７）。
逆に、超伝導キャビティにおける電気変調（例えば、電流）は、矢印７２，６８の方向における第２のナノフォトニック・スラブ５４に対する第１のナノフォトニック・スラブ５２の超伝導領域５８の運動（例えば、相対回転）を誘発することができる。このような運動は、矢印７０，６６によって示された方向における第１のナノフォトニック・スラブ５２の光学領域５６の対応する運動を生じさせることができる。運動は、平行ナノフォトニック・スラブ５２，５４の光学領域５６の間の光学キャビティ７８内に光学光子（例えば、励起）を誘発することができる。光学キャビティ７８内における励起は、光の光子を第２のナノフォトニック・スラブ５４の第１の表面を通して光チャネル７７内に伝達させることができ、これにより、光チャネル７７上に光信号を誘発することができる。光信号は、例えば、光Ｉ／Ｏポート７６において受信される。他の例では、光Ｉ／Ｏポート７６は、光チャネル７７を通じて比較的長い距離にて分離される第２の光マイクロ波量子トランスデューサ上に実装することができる。

いくつかの例では、光マイクロ波量子トランスデューサ５０は量子状態の伝達を促進する。具体的には、変換システムは、光チャネル７７（光学モード）内の量子状態を超伝導キャビティ（電気モード）へ対応付けること、またはその逆を可能にする。このような量子状態の伝達は、２つの異なるモード間の通信を可能にする。加えてまたは代替的に、光マイクロ波量子トランスデューサ５０のシステムは、反復する光子伝達を可能にし、これは、光学モードにおける散乱が電気モードにおいて反映されること、またはその逆をもたらす。

さらに、光マイクロ波量子トランスデューサ５０の第１のナノフォトニック・スラブ５２は、２つの点、すなわちねじり梁６０において基板に固定されているのみであるため、光マイクロ波量子トランスデューサ５０は比較的低いクランピング損失を有する。また、真空ギャップキャパシタ８２の第１のプレートおよび第２のプレートは比較的大きくすることができるため、大きな電気機械結合に対応可能な比較的大きなキャパシタンスを達成することができる。さらに、図示されているように、ＬＣ超伝導回路の真空ギャップキャパシタ８２およびインダクタは空間的に分離することができる。このような空間的分離は比較的大きな関与率および高い協同性を可能にし、電気機械結合率をさらに増大させる。さらに、高い関与率のおかげで、光マイクロ波量子トランスデューサ５０は準粒子ノイズを受けにくくなる。

光マイクロ波量子トランスデューサ５０の構成要素は共通のＩＣチップ上に製造することができる。すなわち、光学構成要素および電気構成要素は両方とも、同じＩＣチップ上に一体化することができる。さらに、このようなＩＣチップは、最新の製造技術を用いることによって、外的位置合わせを必要とすることなく製造することができる。

図４は、光マイクロ波量子トランスデューサ１００の別の例の３次元図を示す。光マイクロ波量子トランスデューサ１００は、図１および図２に示される光マイクロ波量子トランスデューサ４および／または５０を実装するために用いることができる。

光マイクロ波量子トランスデューサ１００は、図２に示される平行ナノフォトニック・スラブ５２，５４を実装するために用いることができる２つの平行ナノフォトニック・スラブ１０２，１０４を含むことができる。光マイクロ波量子トランスデューサ１００は、冷却ユニット内に、超伝導のために必要な臨界温度（例えば、約１０ｍＫ〜約３０ｍＫ）を下回る温度において格納することができる。

平行ナノフォトニック・スラブ１０２，１０４の第１のナノフォトニック・スラブ１０２は、平行ナノフォトニック・スラブ１０２，１０４の第２のナノフォトニック・スラブ１０４を覆うことができる。平行ナノフォトニック・スラブ１０２，１０４の各々は、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）または同様の材料を用いて実装することができる。いくつかの例では、第２のナノフォトニック・スラブ１０４は基板内にエッチングすることができる。平行ナノフォトニック・スラブ１０２，１０４の各々は光学領域１０６および超伝導領域１０８を有することができる。図４は、光学領域１０６および超伝導領域１０８を対称的なサイズを有するように示しているが、他の例では、光学領域１０６および超伝導領域１０８は非対称的であることができる。

第１のナノフォトニック・スラブ１０２は、支柱を介して基板に固定可能な２つのねじり梁１０５を含むことができる。ねじり梁１０５は、第１のナノフォトニック・スラブ１０２の本体から垂直に延在するカンチレバーとして形成することができる。したがって、第１のナノフォトニック・スラブ１０２は、本明細書において説明されている方法で、第１のナノフォトニック・スラブ１０２と第２のナノフォトニック・スラブ１０４との間の相対運動を提供するべく、軸１０７を中心として部分的に回転することができる。したがって、第１のナノフォトニック・スラブは、矢印１０９によって示された方向に部分的に回転する（例えば、ねじれる）ことができる。

平行ナノフォトニック・スラブ１０２，１０４の光学領域１０６は、格子孔１１０（例えば、孔のアレイ）をそれぞれ含むことができる。本例では、格子孔１１０は六角形状を有する。他の例では、格子のための他の形状を用いることもできる。

平行ナノフォトニック・スラブ１０２，１０４の超伝導領域１０８は、超伝導アルミニウムなどの、その上に配置された超伝導材料１１０の層を有することができる。第１のナノフォトニック・スラブ１０２上に配置された超伝導材料１１０は、真空ギャップキャパシタ１１２の第１のプレートになることができ、第２のナノフォトニック・スラブ１０４上に配置された超伝導材料１１０は、真空ギャップキャパシタ１１２の第２のプレートになることができる。真空ギャップキャパシタ１１２のキャパシタンスは式２から計算することができる。真空ギャップキャパシタ１１２の第１のプレートはインダクタ１１６の第１の端子１１４に導電的に結合されることができ、真空ギャップキャパシタ１１２の第２のプレートはインダクタ１１６の第２の端子１１８に導電的に結合されることができ、それにより、真空ギャップキャパシタ１１２およびインダクタ１１６は並列に接続される。真空ギャップキャパシタ１１２およびインダクタ１１６はＬＣ超伝導回路（超伝導キャビティ）を形成することができる。

いくつかの例では、インダクタ１１６は正方形スパイラル形状を有することができる。さらに、本例では、インダクタ１１６は中央タップが設けられ、真空ギャップキャパシタ１１２の第１のプレートに導電的に結合される。他の例では、インダクタ１１６の異なる構成を用いることができる。

光信号（例えば、光信号）は、矢印１２０によって示された方向に第２のナノフォトニック・スラブ１０４の光学領域１０６内へ伝達され得る。光信号の光子は、第２のナノフォトニック・スラブ１０４を通して第１のナノフォトニック・スラブ１０２へ伝達されて光学キャビティを形成することができる。光学キャビティ内における励起は、第１のナノフォトニック・スラブ１０２に光圧力を印加することができ、この光圧力は、第１のナノフォトニック・スラブ１０２を、本明細書において説明されている方法で振動させることができる。したがって、光マイクロ波量子トランスデューサ１００は光エネルギーを機械エネルギーに変換することができる。光マイクロ波量子トランスデューサ１００の光機械結合率は、式１を用いることによって計算することができる。

第１のナノフォトニック・スラブ１０２の振動は超伝導キャビティ内における電気変調を誘発することができる。すなわち、第１のナノフォトニック・スラブ１０２の振動は、真空ギャップキャパシタ１１２上に電荷を生じさせ、それにより、超伝導ＬＣ回路上に電流を生じさせることができる。このように、光マイクロ波量子トランスデューサ１００は機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。光マイクロ波量子トランスデューサ１００の電気機械結合率は、式３から求めることができる。光マイクロ波量子トランスデューサ１００のねじり周波数は、式４〜式６を用いることによって計算することができる。図４では、ねじり梁の長さは「ｌ」で示され、ねじり梁の幅は「ｗ」で示され、ねじり梁の高さは「ｈ」で示されている。

逆に、超伝導ＬＣ回路における電流は第１のナノフォトニック・スラブ１０２を振動させ、これにより電気エネルギーを機械エネルギーに変換することができる。それにより、第１のナノフォトニック・スラブ１０２の振動は、光マイクロ波量子トランスデューサ１００の光学キャビティ内に光子（例えば、励起）を誘発することができる。光子のこのような誘発は光信号を発生させることができ、その光信号は、第２のナノフォトニック・スラブ１０４を通して光チャネルへ伝達される。

光マイクロ波量子トランスデューサ１００は量子状態の伝達を促進することができる。具体的には、光マイクロ波量子トランスデューサ１００のシステムは、光学モードにおける量子状態（光信号に対応する）を超伝導キャビティ（電気モード）へ対応付けること、またはその逆を可能にする。このような量子状態の伝達は、２つの異なるモード間の通信を可能にする。加えてまたは代替的に、光マイクロ波量子トランスデューサ１００のシステムは、反復する光子伝達を可能にし、これは、光学モードにおける散乱が電気モードにおいて反映されること、またはその逆をもたらす。

さらに、光マイクロ波量子トランスデューサ１００の第１のナノフォトニック・スラブ１０２は、２つの点、すなわちねじり梁において基板に固定されているのみであるため、光マイクロ波量子トランスデューサ１００は比較的低いクランピング損失を有する。加えて、真空ギャップキャパシタ１１２の第１のプレートおよび第２のプレートは比較的大きくなり得るため、大きな電気機械結合に対応可能な比較的大きなキャパシタンスを達成することができる。さらに、図示されているように、ＬＣ超伝導回路の真空ギャップキャパシタ１１２およびインダクタ１１６は空間的に分離することができる。このような空間的分離は、比較的大きな関与率および高い協同性を可能にし、電気機械結合率をさらに増大させる。さらに、高い関与率のおかげで、光マイクロ波量子トランスデューサ１００は準粒子ノイズを受けにくくなる。

図５は、図２に示される第１のナノフォトニック・スラブ５２および／または図４に示される第１のナノフォトニック・スラブ１０２などのナノフォトニック・スラブの各ねじり梁の長さおよび幅（μｍ単位）に応じて光マイクロ波量子トランスデューサ（例えば、図１〜図４に示される光マイクロ波量子トランスデューサ４，５０，および／または１００）のねじり周波数（Ω_ｍ：ＭＨｚ）（例えば、振動周波数）をプロットしたグラフ２００を示す。図示されているように、各ねじり梁の長さおよび／または幅を増大させると、ねじり周波数は増大する。多くの運用において、所望のねじり周波数は１００ＭＨｚ〜約１ＧＨｚになる。図示されているように、また、本明細書に説明されているように、光マイクロ波量子トランスデューサを用いることにより、ねじり周波数のこのような所望の範囲を達成することができる。

以上の説明は一例である。構成要素または方法の考え得る組み合わせを全て説明することは無論不可能であり、当業者は、多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識し得る。それゆえ、この開示は、添付の特許請求の範囲内に含まれるそのような改変、変更、および変形を全て包含することを意図する。本明細書にて使用する「〜を含む」という用語はそれらの構成に限定されないことを意味し、「〜に基づく」という用語は少なくとも一部に基づくことを意味する。加えて、この開示または特許請求の範囲において、「１つの〜」、「第１の〜」、もしくは「別の〜」といった用語により要素、またはその同等物を挙げる場合には、このような要素を１つまたは複数含み、２つ以上のこのような要素を必須とせず、また、除外もしないと解釈されるべきである。

Claims (17)

1. 光マイクロ波量子トランスデューサであって、
   第１のナノフォトニック・スラブおよび第２のナノフォトニック・スラブを備え、前記第１および第２のナノフォトニック・スラブの各々は光学領域および超伝導領域を含み、
   前記第１のナノフォトニック・スラブは、基板に固定されて回転軸を中心とした前記第１および第２のナノフォトニック・スラブ間の相対回転を促進する一対のねじり梁をさらに備え、
   前記第１のナノフォトニック・スラブの光学領域と前記第２のナノフォトニック・スラブの光学領域との間のギャップは光信号に応じた光学キャビティを形成し、前記光学キャビティは、前記回転軸を中心とする前記第１のナノフォトニック・スラブの機械的振動を誘発し、
   前記機械的振動は、前記第１のナノフォトニック・スラブの超伝導領域と前記第２のナノフォトニック・スラブの超伝導領域とに結合された超伝導キャビティ上にて電気変調を誘発する、光マイクロ波量子トランスデューサ。
2. 前記超伝導キャビティ上における電気変調が、前記回転軸を中心とした前記第１のナノフォトニック・スラブの機械的振動を誘発し、この機械的振動が、前記光学キャビティ内における励起を誘発する、請求項１に記載の光マイクロ波量子トランスデューサ。
3. 前記光学キャビティ内に誘発された前記励起が光チャネル上に光信号を誘発する、請求項２に記載の光マイクロ波量子トランスデューサ。
4. 前記超伝導キャビティが超伝導ＬＣ回路である、請求項２に記載の光マイクロ波量子トランスデューサ。
5. 前記超伝導ＬＣ回路のキャパシタは、前記第１のナノフォトニック・スラブを覆う超伝導材料の第１のプレートと、前記第２のナノフォトニック・スラブを覆う超伝導材料の第２のプレートとを含む、請求項４に記載の光マイクロ波量子トランスデューサ。
6. 前記超伝導ＬＣ回路のインダクタは、前記超伝導ＬＣ回路のキャパシタに導電的に結合されており前記キャパシタから空間的に分離されている、請求項４に記載の光マイクロ波量子トランスデューサ。
7. 前記超伝導ＬＣ回路のインダクタは、前記超伝導ＬＣ回路のキャパシタの第１のプレートに結合されたトレースによって中央にタップが設けられている、請求項６に記載の光マイクロ波量子トランスデューサ。
8. 前記第２のナノフォトニック・スラブの光学領域が光チャネルに結合されている、請求項２に記載の光マイクロ波量子トランスデューサ。
9. 前記第１のナノフォトニック・スラブおよび前記第２のナノフォトニック・スラブの前記光学領域は、その内部に配置された格子孔を含む、請求項２に記載の光マイクロ波量子トランスデューサ。
10. 前記光マイクロ波量子トランスデューサは、
    によって特徴付けられる光機械結合率を有し、
    ここで、
    Ｇ_omは、前記光学キャビティ内における光子の周波数と、前記第１のナノフォトニック・スラブと前記第２のナノフォトニック・スラブとの間の直線変位との関係を特徴付ける前記光機械結合率であり、
    ω₀は、前記光学キャビティ内におけるラジアン単位での前記光子の周波数であり、
    ｘは、前記第２のナノフォトニック・スラブに対する前記第１のナノフォトニック・スラブのナノメートル単位での前記直線変位の距離である、請求項１に記載の光マイクロ波量子トランスデューサ。
11. 前記光マイクロ波量子トランスデューサは、
    によって特徴付けられる電気機械結合率を有し、
    ここで、
    Ｇ_emは、前記超伝導キャビティ内における電気変調の周波数と、前記第１のナノフォトニック・スラブと前記第２のナノフォトニック・スラブとの間の直線変位との関係を特徴付ける前記電気機械結合率であり、
    ω_eは、前記超伝導キャビティ内におけるラジアン単位での前記電気変調の周波数であり、
    ｘは、前記第２のナノフォトニック・スラブに対する前記第１のナノフォトニック・スラブのナノメートル単位での前記直線変位の距離である、請求項１に記載の光マイクロ波量子トランスデューサ。
12. 前記光マイクロ波量子トランスデューサは、
    によって特徴付けられるねじり周波数を有し、
    ここで、
    Ω_mは、前記光マイクロ波量子トランスデューサの前記ねじり周波数であり、
    κは、前記第１のナノフォトニック・スラブのねじりばね定数であり、
    Ｉ_pは、前記第１のナノフォトニック・スラブの総慣性モーメントである、請求項１に記載の光マイクロ波量子トランスデューサ。
13. 前記第１のナノフォトニック・スラブの前記ねじりばね定数は、
    によって特徴付けられ、
    ここで、
    ｌ_rは、前記一対のねじり梁のうちの所与のねじり梁の長さであり、
    ｈ_rおよびｗ_rは、前記所与のねじり梁の断面寸法であってｈ_r＞ｗ_rであり、
    μは、
    によって特徴付けられ、
    ここで、
    Ｙは、前記第１のナノフォトニック・スラブを形成するために用いられる材料のヤング係数であり、
    νは、前記第１のナノフォトニック・スラブを形成するために用いられる材料のポアソン比である、請求項１２に記載の光マイクロ波量子トランスデューサ。
14. 請求項１に記載の光マイクロ波量子トランスデューサを備える集積回路（ＩＣ）チップ。
15. 光マイクロ波量子トランスデューサであって、
    超伝導キャビティに電気的に結合されるとともに、光学キャビティに光学的に結合されたナノフォトニック・スラブを備え、
    前記ナノフォトニック・スラブは、前記光学キャビティ内における励起または前記超伝導キャビティ内における電気変調に応じて回転軸を中心として機械的に振動するように構成されており、
    励起によって誘発された機械的振動が前記超伝導キャビティ内に電気変調を誘発し、
    電気変調によって誘発された機械的振動が前記光学キャビティ内に励起を誘発する、光マイクロ波量子トランスデューサ。
16. システムであって、
    光マイクロ波量子トランスデューサを超伝導温度において格納する冷却ユニットであって、
    前記光マイクロ波量子トランスデューサは、超伝導キャビティに電気的に結合されるとともに、光学キャビティに光学的に結合されたナノフォトニック・スラブを備え、前記ナノフォトニック・スラブは、前記光学キャビティ内における励起または前記超伝導キャビティ内における電気変調に応じて回転軸を中心として機械的に振動するように構成されており、
    前記光学キャビティは、光チャネルに光学的に結合されており、
    前記超伝導キャビティは、空間的に分離された真空ギャップキャパシタおよびインダクタを含み、前記真空ギャップキャパシタのプレートが前記ナノフォトニック・スラブ上に形成されている、前記冷却ユニットと、
    光ファイバを含む前記光チャネル上における光信号を送信および受信するように構成されたノードであって、前記冷却ユニットの外部に位置する前記ノードと、
    を備えるシステム。
17. 前記ノードが、別の光量子トランスデューサを超伝導温度において格納する別の冷却ユニットを含む、請求項１６に記載のシステム。