Natuurkundigen van het Kastler Brossel Laboratory in Parijs hebben een mijlpaal bereikt in de combinatie van koude atomen en nanofotonica. Met behulp van vezel-adresseerbare atomen, ze hebben de eerste bedrade atomaire verstrengelde toestand gecreëerd die kan worden opgeslagen en later kan worden uitgelezen als een geleid enkel foton.

De integratie van koude atomen met nanoscopische golfgeleiders heeft de laatste jaren veel belangstelling gewekt, de geboorte van een bloeiend onderzoeksveld dat bekend staat als golfgeleider kwantumelektrodynamica. Dergelijke geïntegreerde platforms houden de belofte in van betere schaalbaarheid en verdiensten dan implementaties in vrije ruimte, wat uiteindelijk zal leiden tot on-chip-technologieën voor een toekomstig kwantuminternet. Deze combinatie zou een nieuwe grens kunnen zijn voor de atoom-fotonfysica. Tot dusver, de experimentele vooruitgang is beperkt door de zeer uitdagende combinatie van deze twee werelden.

In het journaal Natuur , Professor Julien Laurat en zijn collega's van de Sorbonne University melden dat ze een atomair register hebben gebruikt dat bestaat uit een keten van individuele cesiumatomen die stevig vastzitten langs een golfgeleider op nanoschaal. In deze configuratie, ze waren in staat om een ​​enkele atomaire excitatie te genereren en op te slaan, zoals in een kwantumgeheugen, en lees het vervolgens uit in de vorm van een geleid enkel foton.

In het experiment, de nanogolfgeleider is vervaardigd uit een commerciële vezel waarvan de diameter plaatselijk is verkleind tot 400 nanometer. Gezien de diameter van de vezel, een groot deel van het licht reist buiten de nanovezel in een verdwijnend veld, die sterk is gericht langs 1 centimeter. Dit veld maakt het mogelijk 2000 koude atomen op te vangen rond 200 nm van het nanovezeloppervlak. "Dit is een zeer krachtige techniek om koude atomen op te vangen en er via een vezel mee te communiceren, " zegt Jérémy Raskop, een afgestudeerde student betrokken bij dit experiment. "Deze vangtechniek is een paar jaar geleden ontwikkeld, maar het systeem pushen om een ​​kwantumapparaat te maken was een grote uitdaging."

aanvankelijk, alle opgesloten atomen in het register worden op één energieniveau voorbereid. Vervolgens, een zwakke schrijfpuls die de vezel verlicht, veroorzaakt verstrooiing. De detectie van een enkel foton in de vezel luidt de creatie in van een enkele collectieve excitatie die wordt gedeeld door de hele atoomketen. Om de opgeslagen informatie op te halen, een externe leespuls wordt naar het atomaire ensemble gestuurd. De atoom-golfgeleiderkoppeling maakt dan de efficiënte overdracht van de enkele excitatie naar een vezelig enkel foton mogelijk. De prestaties liggen al boven de bekende operationele benchmarks voor de realisatie van kwantumnetwerkprimitieven.

"Dit werk is een belangrijke mijlpaal voor het opkomende golfgeleider-QED-veld, omdat dit vermogen het in het kwantumregime brengt, " zegt Neil Corzo, een postdoctoraal onderzoeker van Marie Curie en de hoofdauteur van de studie. "Ons apparaat kan toepassingen voor kwantumnetwerken vinden, aangezien ons experiment nu een bekabeld kwantumknooppunt biedt. onze demonstratie opent een weg voor nieuwe studies naar niet-lineaire kwantumoptica en kwantumfysica met veel lichamen in dit eendimensionale systeem."

Deze demonstratie volgt op andere werken die de groep van Laurat de afgelopen jaren heeft gedaan, inclusief de eerste demonstratie van gestopt licht in een optische vezel of de realisatie van een recordbrekend efficiënt kwantumgeheugen voor veilige opslag.