使量子計算成為可能，實現遠距離原子間的強耦合！

來自早稻田大學、日本科學技術廳和奧克蘭大學的一組科學家開發了一個集成全光纖耦合空腔量子電動力學(QED)系統，其中一米長的傳統光纖無縫地、連貫地連接了兩個納米光纖空腔-QED系統。早稻田大學應用物理學教授、研究小組組長青木隆說：這種系統可能使量子計算成為可能，不受目前系統計算能力有限的限制，也不受量子計算機產生的量子信息傳輸和處理量子網絡限制。在未來，這樣的量子信息科學技術可能會幫助我們取得突破性進展，從而徹底改變我們的社會，比如新材料和藥物的發現。

博科園-科學科普：該團隊研究成果發表在《自然通訊》上。腔qed系統是一種光子(光的基本量子)和原子被限制在一個光學諧振腔內，並以量子力學的方式相互作用的系統。2012年物理學家謝爾蓋·阿羅什(Serge Haroche)因其“開創性的實驗方法，使測量和操縱單個量子系統成為可能”，獲得諾貝爾獎。因此，人們對腔qed系統實現量子信息科學技術的期望也越來越高。為了實現這一技術，需要將多個腔體- qed系統集成到各個系統之間具有相乾、可逆的耦合，但要獲得足夠高的耦合效率是非常具有挑戰性。

青木和團隊通過演示一個由兩個納米纖維腔qed系統組成的系統來解決這個問題。Aoki解釋說：在每個腔中，由幾十個原子組成的集成體通過納米纖維的倏滅場與腔場相互作用，納米纖維的兩端通過錐形區域與標準光纖相連，中間夾著一對光纖光柵鏡。使用額外的標準光纖，可以以最小損耗連接多個諧振器，使兩個納米光纖腔QED系統的相乾耦合動力學成為可能。這使得研究小組能夠觀察到原子和離域光子之間的可逆相互作用，這種相互作用距離達到前所未有的兩米，這在任何量子光學系統中都是首次。

研究成果是朝著物理實現基於腔量子點的分布式量子計算和量子網絡邁出重要一步。在量子網絡中，大量腔量子點系統通過低損耗光纖通道連貫地連接在一起。在這樣的系統中，整個網絡上的量子糾纏可以決定論地產生，而不是概率論地產生。系統也為研究多體物理(大量粒子與原子和光子相互作用的集體行為)鋪平了道路，包括光的量子相變等現象。該小組目前正在對該裝置進行技術改進，以將其工作擴展到構建由相乾耦合的單原子腔QED系統組成的光纖網絡。這包括減少腔內不受控制的損耗，腔共振頻率的主動穩定，以及延長納米纖維附近陷阱中原子的壽命。

博科園-科學科普｜研究/來自: 早稻田大學

參考期刊文獻:《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-019-08975-8

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