日本早稻田大學的一個研發小組利用光纖高效耦合兩個腔量子電力學系統，實施了耦合腔量子電力學系統。這一成果有助於實施光纖量子網路和分佈式量子電腦。
該研發小組結合奈米光纖和光纖布拉格格柵，開發了奈米光纖諧振腔。奈米光纖諧振腔是光纖本身形成的全光纖諧振腔，可利用光纖低損耗連接多個諧振腔。由此便能利用光纖，以低損耗高效耦合兩個奈米光纖腔量子電動力學系統。另外，研發小組還在該系統中首次觀測到了相距數米的原子與同時存在於兩個諧振腔内的光量子之間的相輔作用。
相關論文已於2019年3月11日發表在《自然通訊》（Nature Communications）上。
被侷限在光學諧振腔内的光量子與原子在量子力學方面相輔作用的系統被稱作腔量子電力學系統。在腔量子電力學系統中，光量子與原子之間互換能量的程序相對於損耗能量的程序佔主導地位，能生成高純度的量子狀態並觀測到特別現象，這在普通系統中是難以實施的，因爲會受到各種損耗程序的阻礙。基於上述優點，腔量子電力學系統是探索光量子和原子的量子性的理想實驗物件。
2012年，爲開發腔量子電力學實驗技術做出貢獻的塞爾日·阿羅什獲得了諾貝爾物理可用能學獎。近年來，該領域的研究人員先後開發出了用超導電路代替光學諧振腔、用人造原子代替天然原子的「電路量子電力學系統」。爲了實施基於電路量子電力學系統的量子電腦，以谷歌和英特爾爲首，全球很多研究團隊都在推進研究。
阿羅什的腔量子電力學系統及其後的電路量子電力學系統均採用頻率在數GHz～數十GHz的微波光量子。微波光量子的能量小於室溫下的熱能，在室溫下無法保持量子性。因此，這些實驗需要將整個系統冷卻至數ｍK左右的極低溫度。另一方面，相關領域的研究者們還在推進採用光區域光量子的腔量子電力學系統的研究。光區域的光量子頻率爲數百THz，能量遠遠高於室溫的熱能，在室溫下也完全不會失落量子性，而且能在保持量子性的同時利用光纖進行長距離傳輸。
此次的研發小組利用光纖高效耦合奈米光纖諧振腔和腔量子電力學系統（利用了在諧振腔表面附近擷取的原子，圖1），實施了耦合腔量子電力學系統（圖2），並觀測到了相距數米的原子與同時存在於兩個諧振腔的光量子之間的相輔作用（圖3）。
圖1：奈米光纖諧振腔和採用原子的腔量子電動力學系統的模式圖
圖2：耦合腔量子電動力學系統的實驗裝置
圖3：表示相距數米的原子與同時存在於兩個諧振腔的光量子之間的相輔作用的實驗結果
此次的研究成果對於實施採用光量子的量子電腦（光量子電腦）來說非常重要。光量子具備優異的特性，比如與其他量子系統相比具有更高的相干性、在室溫下也完全不會失落量子性、可以利用光纖長距離傳輸、能輕鬆實施任意的單量子位元操作、可實施時間多工等。
文 JST客觀日本編輯部
