The millimeter wave (mm-wave) frequency band provides exciting prospects for quantum science and devices since many high-fidelity quantum emitters, including Rydberg atoms, molecules, and silicon vacancies, exhibit resonances near 100 GHz. High-Q resonators at these frequencies would give access to strong interactions between emitters and single photons, leading to rich and unexplored quantum phenomena at temperatures above 1 K. We report a 3D mm-wave cavity with a measured single-photon internal quality factor of 3×107 and mode volume of 0.14×λ3 at 98.2 GHz, sufficient to reach strong coupling in a Rydberg cavity quantum electrodynamics system. An in situ piezotunability of 18 MHz facilitates coupling to specific atomic transitions. Our unique, seamless, and optically accessible resonator design is enabled by the realization that intersections of 3D waveguides support tightly confined bound states below the waveguide cutoff frequency. Harnessing the features of our cavity design, we realize a hybrid mm-wave and optical cavity, designed for interconversion and entanglement of mm-wave and optical photons using Rydberg atoms.

1.
G.
Rempe
,
F.
Schmidt-Kaler
, and
H.
Walther
,
Phys. Rev. Lett.
64
,
2783
(
1990
).
2.
M.
Brune
,
F.
Schmidt-Kaler
,
A.
Maali
,
J.
Dreyer
,
E.
Hagley
,
J. M.
Raimond
, and
S.
Haroche
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
1800
(
1996
).
3.
J. M.
Raimond
,
M.
Brune
,
S.
Haroche
, and
L. K.
Brossel
,
Rev. Mod. Phys.
73
,
565
(
2001
).
4.
K. M.
Birnbaum
,
A.
Boca
,
R.
Miller
,
A. D.
Boozer
,
T. E.
Northup
, and
H. J.
Kimble
,
Nature
436
,
87
(
2005
).
5.
A.
Boca
,
R.
Miller
,
K. M.
Birnbaum
,
A. D.
Boozer
,
J.
McKeever
, and
H. J.
Kimble
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
233603
(
2004
).
6.
R. J.
Thompson
,
G.
Rempe
, and
H. J.
Kimble
,
Phys. Rev. Lett.
68
,
1132
(
1992
).
7.
A.
Imamoğlu
,
D. D.
Awschalom
,
G.
Burkard
,
D. P.
DiVincenzo
,
D.
Loss
,
M.
Sherwin
, and
A.
Small
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
4204
(
1999
).
8.
A.
Wallraff
,
D. I.
Schuster
,
A.
Blais
,
L.
Frunzio
,
R.-S.
Huang
,
J.
Majer
,
S.
Kumar
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nature
431
,
162
(
2004
).
9.
H.
Paik
,
D. I.
Schuster
,
L. S.
Bishop
,
G.
Kirchmair
,
G.
Catelani
,
A. P.
Sears
,
B. R.
Johnson
,
M. J.
Reagor
,
L.
Frunzio
,
L. I.
Glazman
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
107
,
240501
(
2011
).
10.
T. D.
Ladd
,
F.
Jelezko
,
R.
Laflamme
,
Y.
Nakamura
,
C.
Monroe
, and
J. L.
O'Brien
,
Nature
464
,
45
(
2010
).
11.
R. W.
Andrews
,
R. W.
Peterson
,
T. P.
Purdy
,
K.
Cicak
,
R. W.
Simmonds
,
C. A.
Regal
, and
K. W.
Lehnert
,
Nat. Phys.
10
,
321
(
2014
).
12.
J. T.
Hill
,
A. H.
Safavi-Naeini
,
J.
Chan
, and
O.
Painter
,
Nat. Commun.
3
,
1196
(
2012
).
13.
J.
Bochmann
,
A.
Vainsencher
,
D. D.
Awschalom
, and
A. N.
Cleland
,
Nat. Phys.
9
,
712
(
2013
).
14.
M.
Forsch
,
R.
Stockill
,
A.
Wallucks
,
I.
Marinkovic
,
C.
Gärtner
,
R. A.
Norte
,
F.
van Otten
,
A.
Fiore
,
K.
Srinivasan
, and
S.
Gröblacher
, arXiv:1812.07588 (
2018
).
15.
A.
Vainsencher
,
K. J.
Satzinger
,
G. A.
Peairs
, and
A. N.
Cleland
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
033107
(
2016
).
16.
B.
Abdo
,
K.
Sliwa
,
F.
Schackert
,
N.
Bergeal
,
M.
Hatridge
,
L.
Frunzio
,
A. D.
Stone
, and
M.
Devoret
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
173902
(
2013
).
17.
M.
Hafezi
,
Z.
Kim
,
S. L.
Rolston
,
L. A.
Orozco
,
B. L.
Lev
, and
J. M.
Taylor
,
Phys. Rev. A
85
,
020302
(
2012
).
18.
M.
Kiffner
,
A.
Feizpour
,
K. T.
Kaczmarek
,
D.
Jaksch
, and
J.
Nunn
,
New J. Phys.
18
,
093030
(
2016
).
19.
M.
Pechal
and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Phys. Rev. A
96
,
042305
(
2017
).
20.
W.
Li
,
I.
Mourachko
,
M. W.
Noel
, and
T. F.
Gallagher
,
Phys. Rev. A
67
,
052502
(
2003
).
21.
Y.
Zhou
,
D. D.
Grimes
,
T. J.
Barnum
,
D.
Patterson
,
S. L.
Coy
,
E.
Klein
,
J. S.
Muenter
, and
R. W.
Field
,
Chem. Phys. Lett.
640
,
124
(
2015
).
22.
D.
Sukachev
,
A.
Sipahigil
,
C.
Nguyen
,
M.
Bhaskar
,
R.
Evans
,
F.
Jelezko
, and
M.
Lukin
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
223602
(
2017
).
23.
J. E.
Carlstrom
,
P. A. R.
Ade
,
K. A.
Aird
,
B. A.
Benson
,
L. E.
Bleem
,
S.
Busetti
,
C. L.
Chang
,
E.
Chauvin
,
H.-M.
Cho
,
T. M.
Crawford
 et al.,
Publ. Astron. Soc. Pacific
123
,
568
(
2011
).
24.
J. D.
Vieira
,
T. M.
Crawford
,
E. R.
Switzer
,
P. A. R.
Ade
,
K. A.
Aird
,
M. L. N.
Ashby
,
B. A.
Benson
,
L. E.
Bleem
,
M.
Brodwin
,
J. E.
Carlstrom
 et al.,
Astrophys. J.
719
,
763
(
2010
).
25.
P.
Jepsen
,
D.
Cooke
, and
M.
Koch
,
Laser Photonics Rev.
5
,
124
(
2011
).
26.
F.
Sizov
,
Semicond. Sci. Technol.
33
,
123001
(
2018
).
27.
T. S.
Rappaport
,
S.
Sun
,
R.
Mayzus
,
H.
Zhao
,
Y.
Azar
,
K.
Wang
,
G. N.
Wong
,
J. K.
Schulz
,
M.
Samimi
, and
F.
Gutierrez
,
IEEE Access
1
,
335
(
2013
).
28.
W.
Roh
,
J.
Seol
,
J.
Park
,
B.
Lee
,
J.
Lee
,
Y.
Kim
,
J.
Cho
,
K.
Cheun
, and
F.
Aryanfar
,
IEEE Commun. Mag.
52
,
106
(
2014
).
29.
S.
Kuhr
,
S.
Gleyzes
,
C.
Guerlin
,
J.
Bernu
,
U. B.
Hoff
,
S.
Deléglise
,
S.
Osnaghi
,
M.
Brune
,
J.-M.
Raimond
,
S.
Haroche
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
90
,
164101
(
2007
).
30.
D.
Hunger
,
T.
Steinmetz
,
Y.
Colombe
,
C.
Deutsch
,
T. W.
Hänsch
, and
J.
Reichel
,
New J. Phys.
12
,
065038
(
2010
).
32.
A.
Romanenko
and
D.
Schuster
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
264801
(
2017
).
33.
H. G.
Leduc
,
B.
Bumble
,
P. K.
Day
,
B. H.
Eom
,
J.
Gao
,
S.
Golwala
,
B. A.
Mazin
,
S.
McHugh
,
A.
Merrill
,
D. C.
Moore
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
97
,
102509
(
2010
).
34.
M.
Reagor
,
H.
Paik
,
G.
Catelani
,
L.
Sun
,
C.
Axline
,
E.
Holland
,
I. M.
Pop
,
N. A.
Masluk
,
T.
Brecht
,
L.
Frunzio
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
102
,
192604
(
2013
).
35.
H.
Hattermann
,
M.
Mack
,
F.
Karlewski
,
F.
Jessen
,
D.
Cano
, and
J.
Fortágh
,
Phys. Rev. A
86
,
022511
(
2012
).
36.
K.
Chadan
,
N.
Khuri
,
A.
Martin
, and
T.
Tsun Wu
,
J. Math. Phys.
44
,
406
(
2003
).
37.
H.
Tian
,
C. E.
Reece
,
M. J.
Kelley
,
S.
Wang
,
L.
Plucinski
,
K. E.
Smith
, and
M. M.
Nowell
,
Appl. Surf. Sci.
253
,
1236
(
2006
).
38.
M. S.
Khalil
,
F. C.
Wellstood
, and
K. D.
Osborn
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
21
,
879
(
2011
).
39.
J. M.
Martinis
,
K. B.
Cooper
,
R.
McDermott
,
M.
Steffen
,
M.
Ansmann
,
K. D.
Osborn
,
K.
Cicak
,
S.
Oh
,
D. P.
Pappas
,
R. W.
Simmonds
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
95
,
210503
(
2005
).
40.
A.
Gurevich
,
Superconductor Sci. Technol.
30
,
034004
(
2017
).
41.
A.
Romanenko
,
A.
Grassellino
,
A. C.
Crawford
,
D. A.
Sergatskov
, and
O.
Melnychuk
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
234103
(
2014
).
42.
M.
Ono
,
E.
Kako
,
K.
Saito
,
T.
Shishido
,
S.
Noguchi
, and
T.
Yokoi
, in
9th Workshop on RF Superconductivity
(
1999
).
43.
J. P.
Covey
,
A.
Sipahigil
, and
M.
Saffman
,
Phys. Rev. A
100
,
012307
(
2019
).
44.
G.
Nikoghosyan
and
M.
Fleischhauer
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
013601
(
2010
).
45.
J.
Ningyuan
,
A.
Georgakopoulos
,
A.
Ryou
,
N.
Schine
,
A.
Sommer
, and
J.
Simon
,
Phys. Rev. A
93
,
041802
(
2016
).
46.
B. T.
Gard
,
K.
Jacobs
,
R.
McDermott
, and
M.
Saffman
,
Phys. Rev. A
96
,
013833
(
2017
).
47.
A.
Anferov
,
A.
Suleymanzade
,
A.
Oriani
,
J.
Simon
, and
D. I.
Schuster
, arXiv:1909.01487 (
2019
).
48.
S. V.
Lotkhov
,
R.
Dolata
, and
M.
Khabipov
, arXiv:1909.02349 (
2019
).
49.
J.
Hu
,
W.
Chen
,
Z.
Vendeiro
,
A.
Urvoy
,
B.
Braverman
, and
V.
Vuletić
,
Phys. Rev. A
96
,
050301
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.