Development of highly efficient optical-microwave converters using disk-shaped ferromagnetic thin films

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K14589
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Hisatomi Ryusuke 京都大学, 化学研究所, 助教 (80870435)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 強磁性マグノン / 量子光学 / 波長変換器

Outline of Final Research Achievements

Highly efficient optical-microwave wavelength converters enable the exchange of quantum information between photons with completely different frequencies (energies). In particular, it is an essential physical system that makes it possible to connect superconducting qubits installed in multiple dilution refrigerators, and it is expected that the quantum Internet will be constructed using them. In this study, we aim to create a highly efficient optical-microwave wavelength converter using ferromagnetic magnons, which we have pioneered and demonstrated in principle, and a disk-shaped thin film structure of the ferromagnetic material that holds them. As a result of this study, we established a fabrication technique for disk-shaped ferromagnetic single crystals. We evaluated the magnon and optical properties in the sample.

Free Research Field

量子エレクトロニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

近年急速に進展している超伝導量子ビットを用いた量子計算機開発は、全て希釈冷凍機内約10 mKの環境下で実施されている。それはマイクロ波の周波数帯を持つ超伝導量子ビットの量子状態が熱ノイズで乱されることを防ぐための措置である。一方、光周波数の光子のエネルギーは、マイクロ波光子に比べ5桁大きく、常温300 Kの熱ノイズ下においても全く乱されないという特長を持つ。加えて、光ファイバーの伝搬損失が非常に小さいことから、長距離情報伝送も可能となる。そのため、マイクロ波－光間での高効率波長変換器の開発は、異なる希釈冷凍機間での量子情報のやりとりを可能にし、量子インターネットの構築に寄与する。