Un team di scienziati della Waseda University, l'Agenzia giapponese per la scienza e la tecnologia, e l'Università di Auckland hanno sviluppato un sistema integrato, sistema di elettrodinamica quantistica (QED) a cavità accoppiate a tutte le fibre in cui una porzione lunga un metro di fibra ottica convenzionale collega senza soluzione di continuità e coerentemente due sistemi QED a cavità di nanofibre.

"Questo tipo di sistema può consentire il calcolo quantistico, liberi dalla limitata potenza di calcolo che i sistemi odierni sperimentano, e reti quantistiche che trasferiscono ed elaborano informazioni quantistiche generate da computer quantistici, "dice Takao Aoki, professore di fisica applicata alla Waseda University e leader del gruppo di ricerca. "Nel futuro, tale tecnologia della scienza dell'informazione quantistica può aiutare a fornire scoperte che possono cambiare drasticamente la nostra società, come le scoperte di nuovi materiali e farmaci».

Lo studio del team è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura l'11 marzo 2019.

Un sistema QED a cavità è un sistema in cui i fotoni, i quanti elementari di luce, e gli atomi sono confinati all'interno di un risonatore ottico e interagiscono tra loro in modo quantomeccanico. Questo sistema è stato una piattaforma sperimentale prototipo per aiutare gli scienziati a comprendere e manipolare meglio le proprietà quantistiche di fotoni e atomi, come evidenziato dall'assegnazione del Premio Nobel nel 2012 al fisico Serge Haroche per i suoi "metodi sperimentali innovativi che consentono la misurazione e la manipolazione di singoli sistemi quantistici". Di conseguenza, l'aspettativa che i sistemi QED a cavità realizzino la tecnologia della scienza dell'informazione quantistica è aumentata.

Per realizzare tale tecnologia, integrando più sistemi QED a cavità con coerenti, era necessario un accoppiamento reversibile tra ciascun sistema, ma ottenere tale accoppiamento con un'efficienza sufficientemente elevata ha reso questo molto impegnativo. Aoki e il suo team hanno affrontato questo problema dimostrando un sistema costituito da due sistemi QED a cavità di nanofibre collegati tra loro in modo completamente in fibra.

"In ogni cavità, un insieme di diverse decine di atomi interagisce con il campo cavità attraverso il campo evanescente di una nanofibra, entrambe le estremità sono collegate a fibre ottiche standard attraverso regioni rastremate e racchiuse da una coppia di specchi a reticolo di fibra di Bragg, " Spiega Aoki. "Più risonatori possono essere collegati con perdite minime utilizzando ulteriori, fibra ottica standard, rendere coerente, possibile dinamica accoppiata dei due sistemi QED a cavità di nanofibre."

Ciò ha permesso al team di osservare un'interazione reversibile tra atomi e fotoni delocalizzati separati da distanze senza precedenti fino a due metri, il primo in un tale sistema ottico quantistico.

Aoki dice, "Il nostro risultato è un passo importante verso l'implementazione fisica del calcolo quantistico distribuito basato su QED a cavità e una rete quantistica, dove un gran numero di sistemi QED a cavità sono collegati coerentemente da canali in fibra a bassa perdita. In tali sistemi, l'entanglement quantistico sull'intera rete può essere creato in modo deterministico, invece che probabilisticamente."

Il loro sistema apre anche la strada allo studio della fisica a molti corpi - il comportamento collettivo di particelle interagenti in grandi numeri - con atomi e fotoni in una rete di sistemi QED a cavità, compresi fenomeni come le transizioni di fase quantistiche della luce.

Il team sta ora apportando miglioramenti tecnici alla configurazione per estendere il proprio lavoro alla costruzione di una rete in fibra ottica coerentemente accoppiata, sistemi QED a cavità singola. Ciò include la riduzione delle perdite incontrollate nelle cavità, stabilizzazione attiva delle frequenze di risonanza della cavità, e l'estensione della vita degli atomi nelle trappole che li tengono vicino alle nanofibre.