量子物理学：原子アレイの、導波路と結合した単一集団励起

極低温原子とナノフォトニックデバイスを組み合わせて、自由空間での実装より優れたスケーラビリティーと性能指数だけでなく、原子–光子相互作用の新しいパラダイムを得ることに、最近多大な努力が注がれている。誘電体導波路は、伝搬光の強い横方向閉じ込め、シングルパス構成での光子と原子の強い結合、導波光子によって媒介される原子–原子長距離相互作用を実現できる可能性があるため、極低温原子とナノフォトニックデバイスの一体化に有望なプラットフォームをもたらす。しかし、そうした原子–導波路インターフェースにおける非古典的量子状態の生成は、まだ実現されていない。今回我々は、ナノ光ファイバーに沿って捕捉された個々のセシウム原子のアレイを用いることによって、ナノスケール導波路と結合した単一の原子集団励起を観測したことを報告する。この記憶された集団エンタングル状態は、外部レーザーパルスを用いて効率よく読み出すことができ、これによって単一光子がオンデマンドで導波モードへ放出される。放出されたこの単一光子を二光子成分抑制によって評価したところ、原子励起の単一性が確認された。この原子励起は約25％の効率で読み出すことができる。今回の結果は、導波路量子電気力学という新分野に不可欠な機能を実証しており、量子ネットワーキング、量子非線形光学、量子多体物理学に応用できる。

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