Uma equipe de cientistas da Universidade Waseda, a Agência de Ciência e Tecnologia do Japão, e a Universidade de Auckland desenvolveram um sistema integrado, Sistema de eletrodinâmica quântica de cavidades acopladas totalmente de fibra (QED) em que uma porção de um metro de fibra óptica convencional conecta de maneira uniforme e coerente dois sistemas de cavidade-QED de nanofibras.

"Este tipo de sistema pode permitir a computação quântica, livre do poder computacional limitado que os sistemas hoje experimentam, e redes quânticas que transferem e processam informações quânticas geradas por computadores quânticos, "diz Takao Aoki, professor de física aplicada da Universidade Waseda e líder da equipe de pesquisa. "No futuro, essa tecnologia da ciência da informação quântica pode ajudar a fornecer avanços que podem mudar drasticamente a nossa sociedade, como a descoberta de novos materiais e fármacos. "

O estudo da equipe foi publicado em Nature Communications em 11 de março, 2019.

Um sistema de cavidade-QED é um sistema no qual fótons - quanta elementares de luz - e átomos são confinados em um ressonador óptico e interagem uns com os outros de maneira mecânica quântica. Este sistema tem sido uma plataforma experimental prototípica para ajudar os cientistas a entender e manipular melhor as propriedades quânticas dos fótons e átomos, conforme destacado pela atribuição do Prêmio Nobel em 2012 ao físico Serge Haroche por seus 'métodos experimentais inovadores que permitem a medição e manipulação de sistemas quânticos individuais.' Consequentemente, a expectativa de sistemas QED de cavidade para realizar a tecnologia da ciência da informação quântica aumentou.

Para realizar essa tecnologia, integração de sistemas QED de cavidade múltipla com sistemas coerentes, foi necessário acoplamento reversível entre cada sistema, mas obter esse acoplamento com eficiência alta o suficiente tornou isso muito desafiador. Aoki e sua equipe abordaram esse problema demonstrando um sistema que consiste em dois sistemas QED de cavidade de nanofibras conectados um ao outro em uma forma totalmente de fibra.

"Em cada cavidade, um conjunto de várias dezenas de átomos interage com o campo da cavidade através do campo evanescente de uma nanofibra, ambas as extremidades são conectadas a fibras ópticas padrão através de regiões cônicas e ensanduichadas por um par de espelhos de grade de Bragg de fibra, "Aoki explica." Múltiplos ressonadores podem ser conectados com perdas mínimas usando fibra óptica padrão, tornando o coerente, dinâmica acoplada dos dois sistemas QED de cavidade de nanofibras possível. "

Isso permitiu que a equipe observasse uma interação reversível entre átomos e fótons deslocalizados separados por distâncias sem precedentes de até dois metros, um primeiro em qualquer sistema óptico quântico.

Aoki diz, "Nossa conquista é um passo importante para a implementação física da computação quântica distribuída baseada em QED de cavidade e uma rede quântica, onde um grande número de sistemas QED de cavidade são coerentemente conectados por canais de fibra de baixa perda. Em tais sistemas, o emaranhamento quântico em toda a rede pode ser criado deterministicamente, em vez de probabilisticamente. "

Seu sistema também abre caminho para o estudo da física de muitos corpos - o comportamento coletivo de partículas interagindo em grandes números - com átomos e fótons em uma rede de sistemas QED de cavidades, incluindo fenômenos como transições de fase quântica da luz.

A equipe está agora fazendo melhorias técnicas na configuração para estender seu trabalho para a construção de uma rede de fibra de acoplamento coerente, sistemas QED de cavidade de átomo único. Isso inclui a redução de perdas não controladas nas cavidades, estabilização ativa das frequências de ressonância da cavidade, e extensão da vida útil dos átomos nas armadilhas que os prendem perto das nanofibras.