Une équipe de scientifiques de l'Université de Waseda, l'Agence japonaise pour la science et la technologie, et l'Université d'Auckland ont développé un système intégré, système d'électrodynamique quantique (QED) à cavités couplées toutes fibres dans lequel une portion d'un mètre de long de fibre optique conventionnelle relie de manière transparente et cohérente deux systèmes à cavités à nanofibres-QED.

"Ce genre de système peut permettre le calcul quantique, libre de la puissance de calcul limitée que les systèmes connaissent aujourd'hui, et les réseaux quantiques qui transfèrent et traitent les informations quantiques générées par les ordinateurs quantiques, " dit Takao Aoki, professeur de physique appliquée à l'Université Waseda et chef de l'équipe de recherche. "À l'avenir, une telle technologie de la science de l'information quantique peut aider à fournir des percées qui peuvent changer radicalement notre société, comme les découvertes de nouveaux matériaux et de médicaments pharmaceutiques.

L'étude de l'équipe a été publiée dans Communication Nature le 11 mars 2019.

Un système cavité-QED est un système dans lequel les photons - quanta élémentaires de lumière - et les atomes sont confinés dans un résonateur optique et interagissent les uns avec les autres de manière quantique. Ce système a été une plate-forme expérimentale prototype pour aider les scientifiques à mieux comprendre et manipuler les propriétés quantiques des photons et des atomes, comme l'a souligné l'attribution du prix Nobel en 2012 au physicien Serge Haroche pour ses « méthodes expérimentales révolutionnaires qui permettent de mesurer et de manipuler des systèmes quantiques individuels ». Par conséquent, l'attente pour les systèmes de cavité-QED de réaliser la technologie des sciences de l'information quantique a augmenté.

Afin de réaliser une telle technologie, intégrant plusieurs systèmes de cavité-QED avec cohérent, un couplage réversible entre chaque système était nécessaire, mais l'obtention d'un tel couplage avec une efficacité suffisamment élevée a rendu cela très difficile. Aoki et son équipe ont abordé ce problème en démontrant un système composé de deux systèmes de cavité-QED en nanofibres connectés l'un à l'autre de manière entièrement en fibres.

« Dans chaque cavité, un ensemble de plusieurs dizaines d'atomes interagit avec le champ de la cavité à travers le champ évanescent d'une nanofibre, dont les deux extrémités sont connectées à des fibres optiques standard par des régions coniques et prises en sandwich par une paire de miroirs à réseau de Bragg à fibres, " explique Aoki. " Plusieurs résonateurs peuvent être connectés avec des pertes minimales en utilisant des fibre optique standard, rendre la cohérence, dynamique couplée des deux systèmes QED à cavité de nanofibres possible."

Cela a permis à l'équipe d'observer une interaction réversible entre des atomes et des photons délocalisés séparés par des distances sans précédent allant jusqu'à deux mètres, une première dans un tel système optique quantique.

Aoki dit, "Notre réalisation est une étape importante vers la mise en œuvre physique du calcul quantique distribué basé sur la QED de cavité et d'un réseau quantique, où un grand nombre de systèmes QED à cavités sont connectés de manière cohérente par des canaux de fibre à faible perte. Dans de tels systèmes, l'intrication quantique sur l'ensemble du réseau peut être créée de manière déterministe, au lieu d'être probabiliste."

Leur système ouvre également la voie à l'étude de la physique à N corps - le comportement collectif de particules en interaction en grand nombre - avec des atomes et des photons dans un réseau de systèmes QED à cavités, y compris des phénomènes tels que les transitions de phase quantiques de la lumière.

L'équipe apporte maintenant des améliorations techniques à l'installation pour étendre son travail à la construction d'un réseau de fibre optique couplé de manière cohérente, systèmes QED à cavité unique. Cela inclut la réduction des pertes incontrôlées dans les cavités, stabilisation active des fréquences de résonance de la cavité, et l'allongement de la durée de vie des atomes dans les pièges qui les retiennent près des nanofibres.