日本早稻田大学的一个研发小组利用光纤高效耦合两个腔量子电力学系统，实现了耦合腔量子电力学系统。这一成果有助于实现光纤量子网络和分布式量子计算机。
该研发小组结合纳米光纤和光纤布拉格光栅，开发了纳米光纤谐振腔。纳米光纤谐振腔是光纤本身形成的全光纤谐振腔，可利用光纤低损耗连接多个谐振腔。由此便能利用光纤，以低损耗高效耦合两个纳米光纤腔量子电动力学系统。另外，研发小组还在该系统中首次观测到了相距数米的原子与同时存在于两个谐振腔内的光子之间的相互作用。
相关论文已于2019年3月11日发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。
被限制在光学谐振腔内的光子与原子在量子力学方面相互作用的系统被称作腔量子电力学系统。在腔量子电力学系统中，光子与原子之间交换能量的过程相对于损耗能量的过程占主导地位，能生成高纯度的量子状态并观测到特别现象，这在普通系统中是难以实现的，因为会受到各种损耗过程的阻碍。基于上述优点，腔量子电力学系统是探索光子和原子的量子性的理想实验对象。
2012年，为开发腔量子电力学实验技术做出贡献的塞尔日·阿罗什获得了诺贝尔物理学奖。近年来，该领域的研究人员先后开发出了用超导电路代替光学谐振腔、用人造原子代替天然原子的“电路量子电力学系统”。为了实现基于电路量子电力学系统的量子计算机，以谷歌和英特尔为首，全球很多研究团队都在推进研究。
阿罗什的腔量子电力学系统及其后的电路量子电力学系统均采用频率在数GHz～数十GHz的微波光子。微波光子的能量小于室温下的热能，在室温下无法保持量子性。因此，这些实验需要将整个系统冷却至数ｍK左右的极低温度。另一方面，相关领域的研究者们还在推进采用光区域光子的腔量子电力学系统的研究。光区域的光子频率为数百THz，能量远远高于室温的热能，在室温下也完全不会丧失量子性，而且能在保持量子性的同时利用光纤进行长距离传输。
此次的研发小组利用光纤高效耦合纳米光纤谐振腔和腔量子电力学系统（利用了在谐振腔表面附近捕获的原子，图1），实现了耦合腔量子电力学系统（图2），并观测到了相距数米的原子与同时存在于两个谐振腔的光子之间的相互作用（图3）。
图1：纳米光纤谐振腔和采用原子的腔量子电动力学系统的模式图
图2：耦合腔量子电动力学系统的实验装置
图3：表示相距数米的原子与同时存在于两个谐振腔的光子之间的相互作用的实验结果
此次的研究成果对于实现采用光子的量子计算机（光量子计算机）来说非常重要。光子具备优异的特性，比如与其他量子系统相比具有更高的相干性、在室温下也完全不会丧失量子性、可以利用光纤长距离传输、能轻松实现任意的单量子比特操作、可实现时间复用等。
文 JST客观日本编辑部
