Att uppnå stark ljus-materia-interaktion på kvantnivå har alltid varit en central uppgift i kvantfysiken sedan uppkomsten av kvantinformation och kvantkontroll. Dock, skalfelet mellan kvantemitterarna (nanometer) och fotonerna (mikrometer) gör uppgiften utmanande. Metalliska nanostrukturer löser missmatchningen genom att klämma in ljuset i nanoskala volym, men deras allvarliga spridning gör kvantkontroller osannolika. Nu, en grupp ledd av Xiao Yun-Feng vid Peking University (Kina) har teoretiskt visat att den starka ljus-materia-interaktionen på kvantnivå kan uppnås med hjälp av mikrokavitetskonstruerade metalliska nanostrukturer. Detta resultat har publicerats i ett nyligen publicerat nummer av Fysiska granskningsbrev .

Stark koppling är grundläggande för att implementera kvantportar i kvantdatorer och också avgörande för att öka signal-brusförhållandet i avkänningsapplikationer. För att uppnå stark koppling, den koherenta interaktionsstyrkan bör överstiga systemets avledningshastigheter. Även om de metalliska nanostrukturerna ger hög interaktionshastighet, avlägsnandena för metaller är vanligtvis ännu starkare. Som ett resultat, stark koppling i metalliska nanostrukturer har endast genomförts under extrema experimentella förhållanden.

I det här arbetet, forskarna rapporterar att spridningen kan undertryckas genom att konstruera den elektromagnetiska miljön för metalliska nanostrukturer. En optisk mikrokavitet tillhandahåller en icke-trivial elektromagnetisk miljö som avsevärt breddar den strålande utgångskanalen för de metalliska nanostrukturerna, leda energin ut från den avledande regionen och därmed undertrycka avledningarna. Med ett sådant gränssnitt, energi och information kan styras ut från den enda kvantemittern vid både hög hastighet och hög effektivitet.

"Teoretisk modell visar att mikrostrukturer konstruerade metalliska strukturer kan öka strålningseffektiviteten för en kvantemitter med 40 gånger och strålningshastigheten med 50 gånger, jämfört med metalliska nanostrukturer i vakuumet ", sa Peng Pai, som var kandidatexamen vid Peking University och nu är doktorand. student vid Massachusetts Institute of Technology. Viktigt, reversibelt energiutbyte mellan fotonen och kvantemittern vid THz-hastighet kan uppnås, manifesterar den starka ljus-materia-interaktionen på kvantnivå.

"Vår strategi för att minska spridningarna begränsas inte av skalan, form, och material av metalliska nanostrukturer, "sade professor Xiao." I kombination med tidigare tillvägagångssätt, det är lovande att bygga det toppmoderna gränssnittet för lätt materia i nanoskala med hjälp av mikrokavitetsutvecklade metalliska nanostrukturer, tillhandahålla en ny plattform för studier av kvantplasmonik, behandling av kvantinformation, exakt avkänning och avancerad spektroskopi. "