Os físicos do Laboratório Kastler Brossel em Paris alcançaram um marco na combinação de átomos frios e nanofotônicos. Usando átomos endereçáveis ​​por fibra, eles criaram o primeiro estado atômico emaranhado com fio que pode ser armazenado e mais tarde lido como um único fóton guiado.

A integração de átomos frios com guias de ondas nanoscópicas despertou muito interesse nos últimos anos, dando origem a um campo de pesquisa em expansão conhecido como eletrodinâmica quântica de guia de ondas. Essas plataformas integradas prometem melhor escalabilidade e valores de mérito do que as implementações de espaço livre, que acabará por levar a tecnologias on-chip para uma futura internet quântica. Essa combinação pode ser uma nova fronteira para a física átomo-fóton. Até aqui, o progresso experimental foi limitado devido à combinação muito desafiadora desses dois mundos.

No jornal Natureza , O professor Julien Laurat e seus colegas da Sorbonne University relatam que usaram um registro atômico composto por uma cadeia de átomos de césio individuais firmemente presos ao longo de um guia de ondas em nanoescala. Nesta configuração, eles foram capazes de gerar e armazenar uma única excitação atômica, como em uma memória quântica, e posteriormente lê-lo na forma de um único fóton guiado.

No experimento, o guia de nanowav é fabricado a partir de uma fibra comercial cujo diâmetro foi reduzido localmente para 400 nanômetros. Dado o diâmetro da fibra, uma grande fração da luz viaja para fora da nanofibra em um campo evanescente, que está fortemente focado ao longo de 1 centímetro. Este campo permite que 2.000 átomos frios sejam capturados a cerca de 200 nm da superfície da nanofibra. "Esta é uma técnica muito poderosa para capturar átomos frios e interagir com eles por meio de uma fibra, "diz Jérémy Raskop, um estudante de graduação envolvido neste experimento. "Esta técnica de captura foi desenvolvida há alguns anos, mas forçar o sistema a fazer um dispositivo quântico foi um grande desafio. "

Inicialmente, todos os átomos aprisionados no registro são preparados em um nível de energia. Então, um pulso de gravação fraco que ilumina a fibra induz a dispersão. A detecção de um único fóton dentro da fibra anuncia a criação de uma única excitação coletiva compartilhada por toda a cadeia atômica. Para recuperar as informações armazenadas, um pulso de leitura externo é enviado ao conjunto atômico. O acoplamento átomo-guia de onda permite então a transferência eficiente da excitação única em um único fóton com fibra. O desempenho já está acima dos conhecidos benchmarks operacionais para a realização de primitivas de redes quânticas.

"Este trabalho é um marco importante para o campo emergente de guia de ondas-QED, pois essa capacidade o traz para o regime quântico, "diz Neil Corzo, bolsista de pós-doutorado da Marie Curie e principal autora do estudo. "Nosso dispositivo pode encontrar aplicações para redes quânticas, pois nosso experimento agora oferece um nó quântico com fio. Além disso, nossa demonstração abre um caminho para novos estudos em direção à óptica quântica não linear e física quântica de muitos corpos neste sistema unidimensional. "

Esta demonstração segue outros trabalhos que o grupo de Laurat fez nos últimos anos, incluindo a primeira demonstração de luz interrompida em uma fibra óptica ou a realização de memória quântica eficiente recorde para armazenamento seguro.