來自早稻田大學、日本科學技術廳和奧克蘭大學的一組科學家開發(fā)了一個集成全光纖耦合空腔量子電動力學(QED)系統(tǒng)，其中一米長的傳統(tǒng)光纖無縫地、連貫地連接了兩個納米光纖空腔-QED系統(tǒng)。

早稻田大學應用物理學教授、研究小組組長青木隆說：這種系統(tǒng)可能使量子計算成為可能，不受目前系統(tǒng)計算能力有限的限制，也不受量子計算機產生的量子信息傳輸和處理量子網絡限制。在未來，這樣的量子信息科學技術可能會幫助我們取得突破性進展，從而徹底改變我們的社會，比如新材料和藥物的發(fā)現(xiàn)。

博科園-科學科普：該團隊研究成果發(fā)表在《自然通訊》上。腔qed系統(tǒng)是一種光子(光的基本量子)和原子被限制在一個光學諧振腔內，并以量子力學的方式相互作用的系統(tǒng)。2012年物理學家謝爾蓋·阿羅什(Serge Haroche)因其“開創(chuàng)性的實驗方法，使測量和操縱單個量子系統(tǒng)成為可能”，獲得諾貝爾獎。因此，人們對腔qed系統(tǒng)實現(xiàn)量子信息科學技術的期望也越來越高。為了實現(xiàn)這一技術，需要將多個腔體- qed系統(tǒng)集成到各個系統(tǒng)之間具有相干、可逆的耦合，但要獲得足夠高的耦合效率是非常具有挑戰(zhàn)性。

青木和團隊通過演示一個由兩個納米纖維腔qed系統(tǒng)組成的系統(tǒng)來解決這個問題。Aoki解釋說：在每個腔中，由幾十個原子組成的集成體通過納米纖維的倏滅場與腔場相互作用，納米纖維的兩端通過錐形區(qū)域與標準光纖相連，中間夾著一對光纖光柵鏡。使用額外的標準光纖，可以以最小損耗連接多個諧振器，使兩個納米光纖腔QED系統(tǒng)的相干耦合動力學成為可能。這使得研究小組能夠觀察到原子和離域光子之間的可逆相互作用，這種相互作用距離達到前所未有的兩米，這在任何量子光學系統(tǒng)中都是首次。

研究成果是朝著物理實現(xiàn)基于腔量子點的分布式量子計算和量子網絡邁出重要一步。在量子網絡中，大量腔量子點系統(tǒng)通過低損耗光纖通道連貫地連接在一起。在這樣的系統(tǒng)中，整個網絡上的量子糾纏可以決定論地產生，而不是概率論地產生。系統(tǒng)也為研究多體物理(大量粒子與原子和光子相互作用的集體行為)鋪平了道路，包括光的量子相變等現(xiàn)象。該小組目前正在對該裝置進行技術改進，以將其工作擴展到構建由相干耦合的單原子腔QED系統(tǒng)組成的光纖網絡。這包括減少腔內不受控制的損耗，腔共振頻率的主動穩(wěn)定，以及延長納米纖維附近陷阱中原子的壽命。

博科園-科學科普｜研究/來自:?早稻田大學

參考期刊文獻:《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-019-08975-8

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