Usando array di atomi di cesio freddo attorno a una nanofibra, i ricercatori del Kastler Brossel Laboratory hanno riportato il primo stato entangled cablato degli atomi e la capacità di leggere questa sovrapposizione quantistica come un singolo fotone guidato. Credito:Laboratorio Kastler Brossel.
I fisici del Kastler Brossel Laboratory di Parigi hanno raggiunto una pietra miliare nella combinazione di atomi freddi e nanofotonica. Usando atomi indirizzabili in fibra, hanno creato il primo stato di entanglement atomico cablato che può essere memorizzato e successivamente letto come un singolo fotone guidato.
L'integrazione di atomi freddi con guide d'onda nanoscopiche ha suscitato molto interesse negli ultimi anni, dando vita a un campo di ricerca in forte espansione noto come elettrodinamica quantistica a guida d'onda. Tali piattaforme integrate mantengono le promesse di una migliore scalabilità e cifre di merito rispetto alle implementazioni in spazio libero, che alla fine porterà a tecnologie su chip per una futura Internet quantistica. Questa combinazione potrebbe essere una nuova frontiera per la fisica atomo-fotone. Finora, il progresso sperimentale è stato limitato a causa della combinazione molto impegnativa di questi due mondi.
Nel diario Natura , Il professor Julien Laurat e i suoi colleghi dell'Università della Sorbona riferiscono di aver utilizzato un registro atomico composto da una catena di singoli atomi di cesio strettamente intrappolati lungo una guida d'onda su nanoscala. In questa configurazione, erano in grado di generare e memorizzare una singola eccitazione atomica, come in una memoria quantistica, e successivamente leggerlo sotto forma di singolo fotone guidato.
Nell'esperimento, la nanoguida è fabbricata da una fibra commerciale il cui diametro è stato ridotto localmente a 400 nanometri. Dato il diametro della fibra, una grande frazione della luce viaggia all'esterno della nanofibra in un campo evanescente, che è fortemente focalizzato lungo 1 centimetro. Questo campo consente di intrappolare 2000 atomi freddi a circa 200 nm dalla superficie delle nanofibre. "Questa è una tecnica molto potente per intrappolare gli atomi freddi e interagire con loro tramite una fibra, "dice Jérémy Raskop, uno studente laureato coinvolto in questo esperimento. "Questa tecnica di cattura è stata sviluppata alcuni anni fa, ma spingere il sistema a realizzare un dispositivo quantistico è stata una grande sfida".
Immagine di una nanofibra ottica (in rosso) all'interno di una camera a vuoto. Schiere di singoli atomi freddi possono essere intrappolati attorno alla fibra, a circa 200 nanometri dalla superficie, e indirizzati tramite la luce guidata. Questi "atomi in fibra" offrono una piattaforma integrata per reti di informazioni quantistiche e per indagini QED in guida d'onda. Credito:Laboratorio Kastler Brossel– N.V. Corzo.
Inizialmente, tutti gli atomi intrappolati nel registro sono preparati su un livello energetico. Quindi, un debole impulso di scrittura che illumina la fibra induce dispersione. La rivelazione di un singolo fotone all'interno della fibra preannuncia la creazione di un'unica eccitazione collettiva condivisa tra l'intera catena atomica. Per recuperare le informazioni memorizzate, un impulso di lettura esterno viene inviato all'insieme atomico. L'accoppiamento atomo-guida d'onda consente quindi il trasferimento efficiente della singola eccitazione in un singolo fotone in fibra. Le prestazioni sono già al di sopra dei noti benchmark operativi per la realizzazione di primitive di reti quantistiche.
"Questo lavoro è una pietra miliare importante per il campo emergente della guida d'onda-QED poiché questa capacità lo porta nel regime quantistico, "dice Neil Corzo, un borsista postdottorato Marie Curie e l'autore principale dello studio. "Il nostro dispositivo può trovare applicazioni per reti quantistiche poiché il nostro esperimento offre ora un nodo quantistico cablato. Inoltre, la nostra dimostrazione apre una strada per nuovi studi verso l'ottica quantistica non lineare e la fisica quantistica a molti corpi in questo sistema unidimensionale".
Questa dimostrazione segue altri lavori che il gruppo di Laurat ha fatto negli ultimi anni, compresa la prima dimostrazione di luce ferma in una fibra ottica o la realizzazione di una memoria quantistica efficiente da record per l'archiviazione sicura.
