MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798291528303
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI32259592
■035    ▼a(MiAaPQ)Caltech17498
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a530
■1001  ▼aSonar,  Sameer.▼0(orcid)0000-0002-1082-9360
■24512▼aA  High-Efficiency,  Low-Noise  Platform  for  Microwave-to-Optical  Quantum  Transduction
■260    ▼a[Sl]▼bCalifornia  Institute  of  Technology▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a175  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-04,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Painter,  Oskar  J.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--California  Institute  of  Technology,  2025.
■520    ▼aQuantum  computing  platforms  based  on  superconducting  qubits  have  achieved  remarkable  progress  in  recent  years,  with  significant  advancements  in  quantum  error  correction,  coherence  times,  and  gate  fidelities.  However,  the  path  to  large-scale,  fault-tolerant  quantum  computing  faces  a  critical  scaling  bottleneck:  the  physical  limits  of  single-chip  architectures.  Integrating  millions  of  qubits  on  a  single  superconducting  chip  presents  formidable  engineering  challenges,  including  increased  thermal  load,  crosstalk,  and  complex  wiring  within  the  dilution  refrigerator.A  promising  approach  to  overcome  these  limitations  is  to  interconnect  multiple  smaller  superconducting  quantum  processors  via  a  quantum  network,  allowing  for  distributed  quantum  computation.  In  this  context,  telecom-wavelength  optical  photons  (around  1550  nm  or  200  THz)  are  particularly  attractive  for  transmitting  quantum  information  across  long  distances  due  to  their  low  propagation  loss  in  optical  fiber  and  negligible  thermal  occupation  at  room  temperature.  However,  superconducting  qubits  typically  operate  at  microwave  frequencies  (around  5-10  GHz),  leading  to  a  fundamental  mismatch  in  operating  frequencies  that  prevents  direct  coupling  between  these  two  domains.This  five-orders-of-magnitude  frequency  mismatch  poses  a  major  challenge  for  coherent  quantum  transduction,  requiring  a  highly  efficient,  low-noise  interface  to  faithfully  convert  quantum  states  between  microwave  and  optical  photons.  A  leading  approach  for  transduction  involves  piezo-optomechanical  platforms,  where  an  intermediary  acoustic  resonator  facilitates  the  conversion  between  microwave  photons  and  microwave  acoustic  phonons,  which  are  then  converted  to  optical  photons.  However,  existing  designs  often  suffer  from  poor  conversion  efficiency  and  added  noise  due  to  geometric  constraints  and  substrate  heating,  limiting  their  scalability  for  real-world  quantum  networks.  In  the  first  part  of  this  thesis,  I  will  introduce  an  optimized  two-dimensional  optomechanical  crystal  platform  with  a  side-coupled  optical  waveguide.  This  geometry  significantly  improves  the  noise-efficiency  metric  for  optical  photon-acoustic  phonon  conversion.  I  will  then  discuss  the  integration  of  piezo-acoustic  circuits  into  these  two-dimensional  crystals  to  realize  a  full  microwave-to-optical  transducer.  I  will  cover  the  underlying  design  principles,  fabrication  processes,  and  preliminary  measurement  results,  highlighting  the  potential  of  this  platform  for  enabling  future  quantum  communication  and  distributed  quantum  computing.Another  critical  challenge  in  quantum  networking  is  the  frequency  mismatch  that  arises  when  attempting  to  interfere  photons  emitted  by  different  quantum  nodes.  This  mismatch  is  primarily  caused  by  variations  in  fabrication  processes.  In  the  second  part  of  this  thesis,  I  will  present  a  novel  post-fabrication  tuning  technique  for  piezo-optomechanical  transducers,  based  on  atomic  force  microscope  (AFM)  nano-oxidation.  By  applying  a  voltage  bias  to  the  AFM  tip,  we  can  selectively  oxidize  the  surface  of  the  dielectric  device,  introducing  a  controlled,  localized  change  in  refractive  index  and  mechanical  properties.  This  allows  for  precise  tuning  of  both  optical  and  acoustic  resonance  frequencies.  I  will  demonstrate  the  effectiveness  of  this  technique  through  experimental  results  at  both  room  and  cryogenic  temperatures,  highlighting  its  potential  for  scaling  quantum  networks.
■590    ▼aSchool  code:  0037.
■650  4▼aApplied  physics
■650  4▼aQuantum  physics
■650  4▼aOptics
■653    ▼aSuperconducting  qubit
■653    ▼aOptical  photons
■690    ▼a0752
■690    ▼a0599
■690    ▼a0215
■71020▼aCalifornia  Institute  of  Technology▼bEngineering  and  Applied  Science.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-04B.
■790    ▼a0037
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17359728▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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