Usando matrices de átomos de cesio fríos alrededor de una nanofibra, Los investigadores del Laboratorio Kastler Brossel han informado del primer estado entrelazado de átomos y la capacidad de leer esta superposición cuántica como un solo fotón guiado. Crédito:Laboratorio Kastler Brossel.
Los físicos del Laboratorio Kastler Brossel en París han alcanzado un hito en la combinación de átomos fríos y nanofotónica. Usando átomos direccionables por fibra, han creado el primer estado atómico entrelazado cableado que se puede almacenar y luego leer como un solo fotón guiado.
La integración de átomos fríos con guías de ondas nanoscópicas ha despertado mucho interés en los últimos años, dando nacimiento a un campo de investigación en auge conocido como electrodinámica cuántica de guías de ondas. Estas plataformas integradas prometen una mejor escalabilidad y cifras de mérito que las implementaciones de espacio libre, lo que eventualmente conducirá a tecnologías en chip para una futura Internet cuántica. Esta combinación podría ser una nueva frontera para la física de átomos y fotones. Hasta aquí, el progreso experimental ha sido limitado debido a la muy desafiante combinación de estos dos mundos.
En el diario Naturaleza , El profesor Julien Laurat y sus colegas de la Universidad de la Sorbona informan que han utilizado un registro atómico compuesto por una cadena de átomos de cesio individuales atrapados firmemente a lo largo de una guía de ondas a nanoescala. En esta configuración, fueron capaces de generar y almacenar una sola excitación atómica, como en una memoria cuántica, y posteriormente leerlo en forma de un solo fotón guiado.
En el experimento, la guía de nanoondas se fabrica a partir de una fibra comercial cuyo diámetro se ha reducido localmente a 400 nanómetros. Dado el diámetro de la fibra, una gran fracción de la luz viaja fuera de la nanofibra en un campo evanescente, que está muy enfocado a lo largo de 1 centímetro. Este campo permite atrapar 2000 átomos fríos a unos 200 nm de la superficie de la nanofibra. "Esta es una técnica muy poderosa para atrapar átomos fríos e interactuar con ellos a través de una fibra, "dice Jérémy Raskop, un estudiante de posgrado involucrado en este experimento. "Esta técnica de captura se desarrolló hace unos años, pero impulsar el sistema para hacer un dispositivo cuántico fue un gran desafío ".
Imagen de una nanofibra óptica (en rojo) dentro de una cámara de vacío. Se pueden atrapar matrices de átomos fríos individuales alrededor de la fibra -a unos 200 nanómetros de la superficie- y direccionarse a través de la luz guiada. Estos “átomos con fibras” ofrecen una plataforma integrada para redes de información cuántica y para investigaciones QED con guías de ondas. Crédito:Laboratorio Kastler Brossel - N.V. Corzo.
Inicialmente, todos los átomos atrapados en el registro se preparan en un nivel de energía. Luego, un pulso de escritura débil que ilumina la fibra induce la dispersión. La detección de un solo fotón dentro de la fibra presagia la creación de una única excitación colectiva compartida entre toda la cadena atómica. Para recuperar la información almacenada, se envía un pulso de lectura externo al conjunto atómico. El acoplamiento átomo-guía de ondas permite la transferencia eficiente de la excitación única en un fotón único con fibras. El rendimiento ya está por encima de los puntos de referencia operativos conocidos para la realización de primitivas de redes cuánticas.
"Este trabajo es un hito importante para el campo emergente de guías de ondas QED, ya que esta capacidad lo lleva al régimen cuántico, "dice Neil Corzo, becaria postdoctoral Marie Curie y autora principal del estudio. "Nuestro dispositivo puede encontrar aplicaciones para redes cuánticas, ya que nuestro experimento ahora ofrece un nodo cuántico cableado. Además, nuestra demostración abre una vía para nuevos estudios hacia la óptica cuántica no lineal y la física cuántica de muchos cuerpos en este sistema unidimensional ".
Esta demostración sigue a otros trabajos que ha realizado el grupo de Laurat en los últimos años, incluida la primera demostración de luz detenida en una fibra óptica o la realización de una memoria cuántica eficiente sin precedentes para un almacenamiento seguro.
