Een team van wetenschappers van Waseda University, het Japans bureau voor wetenschap en technologie, en de Universiteit van Auckland hebben een geïntegreerd, volledig vezel gekoppelde holtes kwantumelektrodynamica (QED) systeem waarin een meter lang deel van conventionele optische vezel naadloos en coherent twee nanovezelholte-QED-systemen verbindt.

"Dit soort systeem kan kwantumberekening mogelijk maken, vrij van de beperkte rekenkracht die systemen tegenwoordig ervaren, en kwantumnetwerken die door kwantumcomputers gegenereerde kwantuminformatie overbrengen en verwerken, " zegt Takao Aoki, hoogleraar toegepaste natuurkunde aan Waseda University en leider van het onderzoeksteam. "In de toekomst, dergelijke kwantuminformatiewetenschapstechnologie kan bijdragen aan doorbraken die onze samenleving drastisch kunnen veranderen, zoals de ontdekkingen van nieuwe materialen en farmaceutische medicijnen."

De studie van het team werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 11 maart, 2019.

Een holte-QED-systeem is een systeem waarin fotonen - elementaire quanta van licht - en atomen zijn opgesloten in een optische resonator en op een kwantummechanische manier met elkaar interageren. Dit systeem is een prototypisch experimenteel platform geweest om wetenschappers te helpen de kwantumeigenschappen van fotonen en atomen beter te begrijpen en te manipuleren, zoals benadrukt door de toekenning van de Nobelprijs in 2012 aan natuurkundige Serge Haroche voor zijn 'baanbrekende experimentele methoden die het meten en manipuleren van individuele kwantumsystemen mogelijk maken'. Bijgevolg, de verwachting voor holte-QED-systemen om kwantuminformatiewetenschapstechnologie te realiseren is toegenomen.

Om dergelijke technologie te realiseren, integratie van meerdere holte-QED-systemen met coherente, omkeerbare koppeling tussen elk systeem nodig was, maar het verkrijgen van een dergelijke koppeling met een voldoende hoge efficiëntie heeft dit zeer uitdagend gemaakt. Aoki en zijn team benaderden dit probleem door een systeem te demonstreren dat bestaat uit twee nanovezel-caviteit-QED-systemen die op een volledig vezelige manier met elkaar zijn verbonden.

"In elke holte, een ensemble van enkele tientallen atomen interageert met het holteveld door het verdwijnende veld van een nanovezel, waarvan beide uiteinden zijn verbonden met standaard optische vezels via taps toelopende gebieden en ingeklemd door een paar vezel-Bragg-rasterspiegels, " Aoki legt uit. "Meerdere resonatoren kunnen worden aangesloten met minimale verliezen met behulp van extra, standaard optische vezel, het coherent maken, gekoppelde dynamiek van de twee nanovezelholte QED-systemen mogelijk."

Hierdoor kon het team een ​​omkeerbare interactie waarnemen tussen atomen en gedelokaliseerde fotonen, gescheiden door ongekende afstanden van maximaal twee meter, een primeur in een dergelijk optisch kwantumsysteem.

Aoki zegt, "Onze prestatie is een belangrijke stap in de richting van de fysieke implementatie van op holte QED gebaseerde gedistribueerde kwantumberekening en een kwantumnetwerk, waar een groot aantal holte-QED-systemen coherent zijn verbonden door verliesarme glasvezelkanalen. In dergelijke systemen, kwantumverstrengeling over het hele netwerk kan deterministisch worden gecreëerd, in plaats van probabilistisch."

Hun systeem maakt ook de weg vrij voor de studie van veellichamenfysica - het collectieve gedrag van interagerende deeltjes in grote aantallen - met atomen en fotonen in een netwerk van holte QED-systemen, waaronder verschijnselen zoals kwantumfaseovergangen van licht.

Het team brengt nu technische verbeteringen aan in de opstelling om hun werk uit te breiden tot de aanleg van een glasvezelnetwerk van coherent gekoppelde, QED-systemen met één atoomholte. Dit omvat vermindering van ongecontroleerde verliezen in de holtes, actieve stabilisatie van de holteresonantiefrequenties, en verlenging van de levensduur van de atomen in de vallen die ze in de buurt van de nanovezels houden.