Ett team av forskare från Waseda University, Japan Science and Technology Agency, och University of Auckland har utvecklat en integrerad, Quantum electrodynamics (QED) system i helt fiberkopplade kaviteter där en meterlång del av konventionell optisk fiber sömlöst och koherent förbinder två nanofiberkavitets-QED-system.

"Den här typen av system kan möjliggöra kvantberäkning, fri från den begränsade beräkningskraft som system idag upplever, och kvantnätverk som överför och bearbetar kvantinformation som genereras av kvantdatorer, " säger Takao Aoki, professor i tillämpad fysik vid Waseda University och ledare för forskargruppen. "I framtiden, sådan kvantinformationsvetenskaplig teknologi kan bidra till att ge genombrott som kan förändra vårt samhälle drastiskt, såsom upptäckter av nya material och farmaceutiska läkemedel."

Teamets studie publicerades i Naturkommunikation den 11 mars, 2019.

Ett kavitets-QED-system är ett system där fotoner - elementära ljuskvanta - och atomer är inneslutna i en optisk resonator och interagerar med varandra på ett kvantmekaniskt sätt. Detta system har varit en prototypisk experimentplattform för att hjälpa forskare att bättre förstå och manipulera kvantegenskaperna hos fotoner och atomer, vilket framhölls av tilldelningen av Nobelpriset 2012 till fysikern Serge Haroche för hans "banbrytande experimentella metoder som möjliggör mätning och manipulation av individuella kvantsystem." Följaktligen, förväntningarna på kavitets-QED-system för att realisera kvantinformationsvetenskaplig teknologi har ökat.

För att förverkliga sådan teknik, integrera flera kavitets-QED-system med koherent, reversibel koppling mellan varje system var nödvändig, men att få en sådan koppling med tillräckligt hög effektivitet har gjort detta mycket utmanande. Aoki och hans team närmade sig detta problem genom att demonstrera ett system som består av två nanofiberhålrum-QED-system kopplade till varandra på ett helt fibersätt.

"I varje hålighet, en ensemble av flera tiotals atomer interagerar med kavitetsfältet genom det försvinnande fältet av en nanofiber, vars båda ändar är anslutna till standardoptiska fibrer genom avsmalnande områden och inklämda av ett par fiber-Bragg-galler speglar, " Aoki förklarar. "Flera resonatorer kan anslutas med minimala förluster med hjälp av ytterligare, standard optisk fiber, göra det sammanhängande, kopplad dynamik för de två QED-systemen med nanofiberhålrum möjlig."

Detta gjorde det möjligt för teamet att observera en reversibel interaktion mellan atomer och delokaliserade fotoner åtskilda av oöverträffade avstånd på upp till två meter, en första i något sådant kvantoptiskt system.

Aoki säger, "Vår prestation är ett viktigt steg mot den fysiska implementeringen av kavitets QED-baserad distribuerad kvantberäkning och ett kvantnätverk, där ett stort antal kavitets QED-system är sammanhängande sammankopplade av fiberkanaler med låg förlust. I sådana system, kvantintrassling över hela nätverket kan skapas deterministiskt, istället för sannolikt."

Deras system banar också väg för studiet av många kroppsfysik – det kollektiva beteendet hos interagerande partiklar i stort antal – med atomer och fotoner i ett nätverk av kavitets QED-system, inklusive fenomen som kvantfasövergångar av ljus.

Teamet gör nu tekniska förbättringar av installationen för att utöka sitt arbete till att bygga ett fibernätverk av sammanhängande, enatoms kavitets QED-system. Detta inkluderar minskning av okontrollerade förluster i hålrummen, aktiv stabilisering av kavitetens resonansfrekvenser, och förlängning av livslängden för atomerna i fällorna som håller dem nära nanofibrerna.