Atomic vapors offer many opportunities for manipulating electromagnetic signals across a broad range of electromagnetic spectra. Here, a microwave signal with an audio frequency modulation encodes information in an optical signal by exploiting an atomic microwave-to-optical double resonance and magnetic-field coupling that is amplified by a resonant high-Q microwave cavity. Using this approach, audio signals are encoded as amplitude or frequency modulations in a GHz carrier, transmitted through a cable or over free space, demodulated through cavity-enhanced atom-microwave interactions, and, finally, optically detected to extract the original information. This atom-cavity signal transduction technique provides a powerful means by which to transfer information between microwave and optical fields, all using a relatively simple experimental setup without active electronics.

1.
S. A.
Diddams
,
J. C.
Bergquist
,
S. R.
Jefferts
, and
C. W.
Oates
,
Science
306
,
1318
(
2004
).
2.
S.
Haroche
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
1083
(
2013
).
3.
A.
Horsley
and
P.
Treutlein
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
211102
(
2016
).
4.
D.
DeMille
,
D. R.
Glenn
, and
J.
Petricka
,
Eur. Phys. J. D
31
,
375
(
2004
).
5.
M.
Stammeier
,
S.
Garcia
, and
A.
Wallraff
,
Quantum Sci. Technol.
3
,
045007
(
2018
).
6.
M.
Hafezi
,
Z.
Kim
,
S. L.
Rolston
,
L. A.
Orozco
,
B. L.
Lev
, and
J. M.
Taylor
,
Phys. Rev. A
85
,
020302
(
2012
).
7.
A. P.
Reed
,
K. H.
Mayer
,
J. D.
Teufel
,
L. D.
Burkhart
,
W.
Pfaff
,
M.
Reagor
,
L.
Sletten
,
X.
Ma
,
R. J.
Schoelkopf
,
E.
Knill
, and
K. W.
Lehnert
,
Nat. Phys.
13
,
1163
(
2017
).
8.
J.
Han
,
T.
Vogt
,
C.
Gross
,
D.
Jaksch
,
M.
Kiffner
, and
W.
Li
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
093201
(
2018
).
9.
K. V.
Adwaith
,
A.
Karigowda
,
C.
Manwatkar
,
F.
Bretenaker
, and
A.
Narayanan
,
Opt. Lett.
44
,
33
(
2019
).
10.
Y.
Kubo
,
I.
Diniz
,
A.
Dewes
,
V.
Jacques
,
A.
Dréau
,
J.-F.
Roch
,
A.
Auffeves
,
D.
Vion
,
D.
Esteve
, and
P.
Bertet
,
Phys. Rev. A
85
,
012333
(
2012
).
11.
C.
Grezes
,
B.
Julsgaard
,
Y.
Kubo
,
M.
Stern
,
T.
Umeda
,
J.
Isoya
,
H.
Sumiya
,
H.
Abe
,
S.
Onoda
,
T.
Ohshima
 et al.,
Phys. Rev. X
4
,
021049
(
2014
).
12.
S.
Probst
,
H.
Rotzinger
,
A. V.
Ustinov
, and
P. A.
Bushev
,
Phys. Rev. B
92
,
014421
(
2015
).
13.
G.
Wolfowicz
,
H.
Maier-Flaig
,
R.
Marino
,
A.
Ferrier
,
H.
Vezin
,
J. J.
Morton
, and
P.
Goldner
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
170503
(
2015
).
14.
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
).
15.
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
).
16.
S.
Kono
,
K.
Koshino
,
Y.
Tabuchi
,
A.
Noguchi
, and
Y.
Nakamura
,
Nat. Phys.
14
,
546
(
2018
).
17.
J. R.
Lane
,
D.
Tan
,
N. R.
Beysengulov
,
K.
Nasyedkin
,
E.
Brook
,
L.
Zhang
,
T.
Stefanski
,
H.
Byeon
,
K. W.
Murch
, and
J.
Pollanen
, arXiv:1907.07730 (
2019
).
18.
X.
Zhang
,
C. L.
Zou
,
L.
Jiang
, and
H. X.
Tang
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
156401
(
2014
).
19.
N.
Kostylev
,
M.
Goryachev
, and
M. E.
Tobar
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
062402
(
2016
).
20.
L.
Bai
,
M.
Harder
,
P.
Hyde
,
Z.
Zhang
,
C. M.
Hu
,
Y. P.
Chen
, and
J. Q.
Xiao
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
217201
(
2017
).
21.
D.
Lachance-Quirion
,
Y.
Tabuchi
,
S.
Ishino
,
A.
Noguchi
,
T.
Ishikawa
,
R.
Yamazaki
, and
Y.
Nakamura
,
Sci. Adv.
3
,
e1603150
(
2017
).
22.
L. A.
De Lorenzo
and
K. C.
Schwab
,
New J. Phys.
16
,
113020
(
2014
).
23.
M.
Yuan
,
M. A.
Cohen
, and
G. A.
Steele
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
263501
(
2015
).
24.
F.
Souris
,
H.
Christiani
, and
J. P.
Davis
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
172601
(
2017
).
25.
T.
Menke
,
P. S.
Burns
,
A. P.
Higginbotham
,
N. S.
Kampel
,
R. W.
Peterson
,
K.
Cicak
,
R. W.
Simmonds
,
C. A.
Regal
, and
K. W.
Lehnert
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
094701
(
2017
).
26.
F.
Sun
,
J.
Ma
,
Q.
Bai
,
X.
Huang
,
B.
Gao
, and
D.
Hou
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
051103
(
2017
).
27.
A. B.
Deb
and
N.
Kjærgaard
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
211106
(
2018
).
28.
D. A.
Anderson
,
R. E.
Sapiro
, and
G.
Raithel
, arXiv:1808.08589 (
2018
).
29.
Y.
Jiao
,
X.
Han
,
J.
Fan
,
G.
Raithel
,
J.
Zhao
, and
S.
Jia
,
Appl. Phys. Express
12
,
126002
(
2019
).
30.
C. L.
Holloway
,
M. T.
Simons
,
A. H.
Haddab
,
J. A.
Gordon
, and
S. D.
Voran
, preprint arXiv:1903.00786 (
2019
).
31.
C. L.
Holloway
,
M. T.
Simons
,
A. H.
Haddab
,
C. J.
Williams
, and
M. W.
Holloway
,
AIP Adv.
9
,
065110
(
2019
).
32.
C. L.
Holloway
,
M. T.
Simons
,
J. A.
Gordon
, and
D.
Novotny
,
IEEE Antennas Wireless Propag. Lett.
18
,
1853
(
2019
).
33.
Z.
Song
,
H.
Liu
,
X.
Liu
,
W.
Zhang
,
H.
Zou
,
J.
Zhang
, and
J.
Qu
,
Opt. Express
27
,
8848
(
2019
).
34.
D. H.
Meyer
,
K. C.
Cox
,
F. K.
Fatemi
, and
P. D.
Kunz
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
211108
(
2018
).
35.
H.
Zou
,
Z.
Song
,
H.
Mu
,
Z.
Feng
,
J.
Qu
, and
Q.
Wang
,
Appl. Sci.
10
,
1346
(
2020
).
36.
J. G.
Coffer
and
J. C.
Camparo
,
Phys. Rev. A
62
,
013812
(
2000
).
37.
F. Y.
Sun
,
D.
Hou
,
Q. S.
Bai
, and
X. H.
Huang
,
J. Phys. Commun.
2
,
015008
(
2018
).
38.
T.
Bandi
,
M.
Pellaton
,
D.
Miletic
,
C.
Affolderbach
,
F.
Gruet
,
R.
Matthey
,
G.
Mileti
,
C.
Stefanucci
,
M.
Violetti
,
F.
Merli
 et al.,
Double-Resonance in Alkali Vapor Cells for High Performance and Miniature Atomic Clocks
(
IEEE
,
Baltimore, MD, USA
,
2012
), pp.
1
6
.
39.
W.
Demtröder
,
Optical Pumping and Double-Resonance Techniques
(
Springer
Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg
,
1996
), pp.
552
593
.
40.

The Lindblad term is a general descriptor of relaxation processes, L{ρ̂}=nmΓnm|mn|ρ̂|nm|12nmΓnm(ρ̂|nn|+|nn|ρ̂).

41.
42.
A.
Tretiakov
and
L. J.
LeBlanc
,
Phys. Rev. A
99
,
043402
(
2019
).
43.
M.
Rudd
,
P.
Kim
,
C.
Potts
,
C.
Doolin
,
H.
Ramp
,
B.
Hauer
, and
J.
Davis
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
034042
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.