Forte accoppiamento tra un array riconfigurabile di atomi di ${}^{171}$Yb e una cavità a nanofibra sintonizzabile nella banda delle telecomunicazioni

Abstract degli autori

Le cavità nanofotoniche offrono un forte accoppiamento atomo-fotone in una geometria compatta con accoppiamento diretto alla fibra, mentre un array riconfigurabile di atomi di $^{171}$Yb combina gate ad alta fedeltà con uno stato di qubit metastabile accoppiato direttamente a una transizione nella banda delle telecomunicazioni, rendendo i due un’interfaccia naturale tra processori quantistici ad atomi neutri e reti quantistiche per le telecomunicazioni. Qui realizziamo un forte accoppiamento atomo-cavità sulla transizione ${}^{3}\mathrm{P}_0 \leftrightarrow {}^{3}\mathrm{D}_1$ di ${}^{171}\mathrm{Yb}$, stabilendo, per quanto ne sappiamo, il primo sistema di cavity QED ad atomi neutri a raggiungere il regime di accoppiamento forte a singolo atomo su una transizione atomica nella banda delle telecomunicazioni. La spettroscopia di riflessione di una cavità a singolo lato fornisce una cooperatività interna del singolo atomo di $C_{\mathrm{in}}=5.6(1.0)$ e un accoppiamento collettivo che segue la scalatura $\sqrt{N}$ fino a $N=5$ atomi, con accoppiamento omogeneo in corrispondenza degli antinodi lungo $\sim$200 $\mathrmμ$m della nanofibra. La regolazione termica di un reticolo di Bragg in fibra consente il controllo in situ del tasso di accoppiamento in uscita dalla cavità su due ordini di grandezza, dal regime sottoaccoppiato a quello sovraccoppiato, rilevante per diversi protocolli atomo-cavità. Confermiamo la compatibilità con gli array atomici riconfigurabili dimostrando una fedeltà di imaging del 99,95(6)\% e durate delle trappole paragonabili a quelle di un array in spazio libero, a 1 $\mathrmμ$m dall’asse della nanofibra. Inoltre, il design antiriflesso della nanofibra, ottenuto ingegnerizzandone il diametro, consente il trasporto di atomi tramite pinzette ottiche attraverso la nanofibra senza perdite o riscaldamento misurabili, a 4,5 $\mathrmμ$m sopra la nanofibra, sostenendo un’architettura a due strati per l’array atomico integrato nella nanofibra. Sulla base dell’accoppiamento atomo-cavità, della capacità atomica e del profilo del modo della cavità dimostrati, prevediamo la generazione multiplexata nel tempo di entanglement remoto tra atomi a 40 kHz, con prospettive di ulteriore scalabilità grazie a miglioramenti tecnici e al multiplexing dei canali.