Lavt tab, all-fiber system til stærk og effektiv kobling mellem fjerne atomer

Et team af forskere fra Waseda University, Japan Science and Technology Agency, og University of Auckland har udviklet en integreret, all-fiber coupled-cavities quantum electrodynamics (QED) system, hvor en meter lang del af konventionel optisk fiber problemfrit og sammenhængende forbinder to nanofiber cavity-QED-systemer.

"Denne form for system kan muliggøre kvanteberegning, fri for den begrænsede regnekraft, som systemer i dag oplever, og kvantenetværk, der overfører og behandler kvanteinformation genereret af kvantecomputere, "siger Takao Aoki, professor i anvendt fysik ved Waseda University og leder af forskerteamet. "I fremtiden, sådan kvanteinformationsvidenskabsteknologi kan hjælpe med at give gennembrud, der kan ændre vores samfund drastisk, såsom opdagelsen af ​​nye materialer og farmaceutiske lægemidler. "

Teamets undersøgelse blev offentliggjort i Naturkommunikation den 11. marts, 2019.

Et hulrum-QED-system er et system, hvor fotoner-elementære kvantiteter af lys-og atomer er begrænset i en optisk resonator og interagerer med hinanden på en kvantemekanisk måde. Dette system har været en prototypisk eksperimentel platform for at hjælpe forskere med bedre at forstå og manipulere kvanteegenskaberne af fotoner og atomer, som fremhævet ved tildelingen af ​​Nobelprisen i 2012 til fysikeren Serge Haroche for hans 'banebrydende eksperimentelle metoder, der muliggør måling og manipulation af individuelle kvantesystemer.' Følgelig, forventningen til cavity-QED-systemer til at realisere kvanteinformationsvidenskabsteknologi er steget.

For at realisere sådan teknologi, integration af flere cavity-QED-systemer med sammenhængende, reversibel kobling mellem hvert system var nødvendig, men at opnå en sådan kobling med høj nok effektivitet har gjort dette meget udfordrende. Aoki og hans team nærmede sig dette problem ved at demonstrere et system bestående af to nanofiber cavity-QED-systemer, der er forbundet til hinanden på en fiberbaseret måde.

"I hvert hulrum, et ensemble med flere titalls atomer interagerer med hulrumsfeltet gennem det flygtige felt i en nanofiber, hvor begge ender er forbundet til standard optiske fibre gennem koniske områder og klemt sammen med et par fiber-Bragg-gitterspejle, "Aoki forklarer." Flere resonatorer kan forbindes med minimale tab ved hjælp af yderligere, standard optisk fiber, gør det sammenhængende, koblet dynamik i de to nanofiber -hulrum QED -systemer mulig. "

Dette gjorde det muligt for teamet at observere en reversibel interaktion mellem atomer og delokaliserede fotoner adskilt af hidtil usete afstande på op til to meter, en første i et sådant kvanteoptisk system.

Aoki siger, "Vores præstation er et vigtigt skridt i retning af den fysiske implementering af hulrums QED-baseret distribueret kvanteberegning og et kvantenetværk, hvor et stort antal hulrums-QED-systemer er kohærent forbundet med fiberkanaler med lav tab. I sådanne systemer, kvanteforvikling over hele netværket kan skabes deterministisk, i stedet for sandsynligt. "

Deres system baner også vejen for studiet af mangekroppsfysik-den kollektive adfærd af interaktive partikler i stort antal-med atomer og fotoner i et netværk af hulrum QED-systemer, herunder fænomener såsom kvantefasetransitioner af lys.

Teamet foretager nu tekniske forbedringer af opsætningen for at udvide deres arbejde til opførelsen af ​​et fibernet af sammenhængende koblede, enkelt-atom hulrum QED systemer. Dette inkluderer reduktion af ukontrollerede tab i hulrummene, aktiv stabilisering af hulrumsresonansfrekvenserne, og forlængelse af atomernes levetid i fælderne, der holder dem nær nanofibrene.