En utilisant des réseaux d'atomes de césium froids autour d'une nanofibre, des chercheurs du laboratoire Kastler Brossel ont signalé le premier état intriqué d'atomes câblés et la capacité de lire cette superposition quantique comme un photon unique guidé. Crédit :Laboratoire Kastler Brossel.
Les physiciens du laboratoire Kastler Brossel à Paris ont franchi une étape importante dans la combinaison des atomes froids et de la nanophotonique. En utilisant des atomes adressables par fibre, ils ont créé le premier état atomique intriqué câblé qui peut être stocké et lu plus tard sous la forme d'un photon unique guidé.
L'intégration d'atomes froids avec des guides d'ondes nanoscopiques a suscité beaucoup d'intérêt ces dernières années, donnant naissance à un domaine de recherche en plein essor connu sous le nom d'électrodynamique quantique en guide d'ondes. De telles plates-formes intégrées promettent une meilleure évolutivité et des chiffres de mérite que les implémentations en espace libre, ce qui conduira à terme à des technologies sur puce pour un futur Internet quantique. Cette combinaison pourrait être une nouvelle frontière pour la physique atome-photon. Jusque là, les progrès expérimentaux ont été limités en raison de la combinaison très difficile de ces deux mondes.
Dans la revue La nature , Le professeur Julien Laurat et ses collègues de Sorbonne Université rapportent qu'ils ont utilisé un registre atomique composé d'une chaîne d'atomes de césium individuels étroitement piégés le long d'un guide d'ondes nanométrique. Dans cette configuration, ils étaient capables de générer et de stocker une seule excitation atomique, comme dans une mémoire quantique, et ensuite le lire sous la forme d'un photon unique guidé.
Dans l'expérience, le nanoguide d'onde est fabriqué à partir d'une fibre commerciale dont le diamètre a été localement réduit à 400 nanomètres. Compte tenu du diamètre de la fibre, une grande partie de la lumière voyage à l'extérieur de la nanofibre dans un champ évanescent, qui est fortement focalisé sur 1 centimètre. Ce champ permet de piéger 2000 atomes froids à environ 200 nm de la surface des nanofibres. "C'est une technique très puissante pour piéger les atomes froids et interagir avec eux via une fibre, " dit Jérémy Raskop, un étudiant diplômé impliqué dans cette expérience. « Cette technique de piégeage a été mise au point il y a quelques années, mais pousser le système à fabriquer un appareil quantique était un défi de taille."
Image d'une nanofibre optique (en rouge) à l'intérieur d'une chambre à vide. Des réseaux d'atomes froids individuels peuvent être piégés autour de la fibre - à environ 200 nanomètres de la surface - et adressés via la lumière guidée. Ces « atomes fibrés » offrent une plate-forme intégrée pour les réseaux d'information quantique et pour les études de guide d'ondes-QED. Crédit :Laboratoire Kastler Brossel – N.V. Corzo.
Initialement, tous les atomes piégés dans le registre sont préparés sur un niveau d'énergie. Puis, une faible impulsion d'écriture qui illumine la fibre induit une diffusion. La détection d'un seul photon à l'intérieur de la fibre annonce la création d'une seule excitation collective partagée par l'ensemble de la chaîne atomique. Pour récupérer les informations stockées, une impulsion de lecture externe est envoyée à l'ensemble atomique. Le couplage atome-guide d'onde permet alors le transfert efficace de l'excitation unique en un photon unique fibré. Les performances sont déjà supérieures aux repères opérationnels connus pour la réalisation de primitives de réseaux quantiques.
"Ce travail est une étape importante pour le domaine émergent des guides d'ondes-QED car cette capacité l'amène dans le régime quantique, " dit Neil Corzo, une boursière postdoctorale Marie Curie et l'auteur principal de l'étude. « Notre appareil peut trouver des applications pour les réseaux quantiques, car notre expérience propose désormais un nœud quantique câblé. De plus, notre démonstration ouvre la voie à de nouvelles études vers l'optique non linéaire quantique et la physique quantique à plusieurs corps dans ce système unidimensionnel. »
Cette démonstration fait suite à d'autres travaux que le groupe de Laurat a réalisés ces dernières années, y compris la première démonstration de lumière arrêtée dans une fibre optique ou la réalisation d'une mémoire quantique d'une efficacité record pour un stockage sécurisé.
