Når kolde atomer møder nano:En kablet kvanteknude

Fysikere ved Kastler Brossel Laboratory i Paris har nået en milepæl i kombinationen af ​​kolde atomer og nanofotonik. Brug af fiberadresserbare atomer, de har skabt den første kablede atomare sammenfiltrede tilstand, der kan lagres og senere udlæses som en styret enkelt foton.

Integrationen af ​​kolde atomer med nanoskopiske bølgeledere har vakt stor interesse i de senere år, fødslen til et blomstrende forskningsfelt kendt som waveguide quantum electrodynamics. Sådanne integrerede platforme har løfter om bedre skalerbarhed og værdier end implementeringer med ledig plads, som i sidste ende vil føre til on-chip-teknologier til et fremtidigt kvanteinternet. Denne kombination kunne være en ny grænse for atom-foton-fysik. Indtil nu, de eksperimentelle fremskridt har været begrænset på grund af den meget udfordrende kombination af disse to verdener.

I journalen Natur , Professor Julien Laurat og hans kolleger ved Sorbonne Universitet rapporterer, at de har brugt et atomregister, der består af en kæde af individuelle cæsiumatomer, der er tæt fanget langs en bølgeleder på nanoskala. I denne konfiguration, de var i stand til at generere og lagre en enkelt atomisk excitation, som i en kvantehukommelse, og efterfølgende læse den op i form af en guidet enkelt foton.

I forsøget nanobølgelederen er fremstillet af en kommerciel fiber, hvis diameter er lokalt reduceret til 400 nanometer. I betragtning af fiberens diameter, en stor del af lyset bevæger sig uden for nanofiberen i et flygtigt felt, som er stærkt fokuseret langs 1 centimeter. Dette felt gør det muligt at fange 2000 kolde atomer omkring 200 nm fra nanofiberoverfladen. "Dette er en meget kraftfuld teknik til at fange kolde atomer og interagere med dem via en fiber, siger Jérémy Raskop, en kandidatstuderende involveret i dette eksperiment. "Denne fangstteknik blev udviklet for et par år siden, men at presse systemet til at lave en kvanteenhed var en stærk udfordring."

I første omgang, alle de fangede atomer i registeret er forberedt på et energiniveau. Derefter, en svag skriveimpuls, der belyser fiberen, fremkalder spredning. Detekteringen af ​​en enkelt foton inde i fiberen varsler skabelsen af ​​en enkelt kollektiv excitation, der deles mellem hele atomkæden. For at hente de lagrede oplysninger, en ekstern læseimpuls sendes til atomensemblet. Atom-bølgeleder-koblingen tillader derefter den effektive overførsel af den enkelte excitation til en fiberformet enkelt foton. Ydeevnen er allerede over de kendte operationelle benchmarks for realisering af kvantenetværksprimitiver.

"Dette arbejde er en vigtig milepæl for det nye bølgeleder-QED-felt, da denne evne bringer det ind i kvanteregimet, " siger Neil Corzo, en Marie Curie postdoc og hovedforfatter af undersøgelsen. "Vores enhed kan finde applikationer til kvantenetværk, da vores eksperiment nu tilbyder en kablet kvantenode. vores demonstration åbner en vej for nye undersøgelser af ikke-lineær kvanteoptik og kvante-mangelegemefysik i dette endimensionelle system."

Denne demonstration følger andre værker, som Laurats gruppe har udført i de seneste år, inklusive den første demonstration af stoppet lys i en optisk fiber eller realiseringen af ​​rekord-effektiv kvantehukommelse til sikker lagring.