Forskare från Würzburg och London har lyckats kontrollera kopplingen av ljus och materia vid rumstemperatur. De har publicerat sina resultat i Vetenskapliga framsteg .

Denna prestation är särskilt betydelsefull, eftersom den bygger grunden för förverkligandet av praktisk fotonisk kvantteknik. Även om många demonstrationer av optiska kvantprocesser kräver kryogena temperaturer för att skydda kvanttillstånden, det nuvarande arbetet höjer kvantprocesserna till rumstemperatur och introducerar kontrollerbarhet, vilket kan bidra till utvecklingen av kvantdatorer.

En lätt partikel (foton) genereras när en upphetsad molekyl eller en kvantpunkt återgår till sitt lågenergiska marktillstånd. Denna process är känd som spontanemission, och är vanligtvis irreversibel, dvs en utsänd foton kommer inte bara att återvända till sändaren för att absorberas igen.

Men om sändaren är nära kopplad till en optisk resonator, den utsända fotonen förblir i närheten av sändaren under en tillräckligt lång tid, öka chansen till återabsorption avsevärt. "En sådan omvändning av spontana utsläpp är av stor betydelse för kvantteknik och informationsbehandling, eftersom det underlättar utbytet av kvantinformation mellan materia och ljus och samtidigt bevarar kvantegenskaperna hos båda, "säger professor Ortwin Hess från Imperial College.

Ett sådant utbyte av kvantinformation är, dock, vanligtvis endast möjligt vid mycket låga temperaturer, vilket gör spektraler av sändare kraftigt, och ökar därför sannolikheten för absorption. Teamen av professorerna Bert Hecht och Ortwin Hess har lyckats uppnå ett tillstånd av stark koppling av ljus och en enda kvantemitter vid rumstemperatur.

För att uppnå en återabsorption av en foton vid rumstemperatur, forskarna använde en plasmonisk nanoresonator, i form av en extremt smal slits i ett tunt guldskikt. "Denna resonator tillåter oss att rumsligt koncentrera den elektromagnetiska energin hos en lagrad foton till ett område som inte är mycket större än själva kvantpunkten, "förklarar professor Hechts medarbetare Heiko Groß. Som ett resultat, den lagrade fotonen absorberas med stor sannolikhet av sändaren.

Även om liknande idéer redan har implementerats av andra forskare i system som enstaka molekyler, i den aktuella studien, forskarna kontrollerade kopplingen mellan resonatorn och kvantemittern genom att implementera en metod som gör att de kontinuerligt kan ändra kopplingen och, särskilt, för att slå på och av det på ett exakt sätt. Teamet uppnådde detta genom att fästa nano-resonatorn på spetsen av ett atomkraftmikroskop. På så sätt kan de flytta den med nanometerprecision inom sändarens omedelbara närhet - i det här fallet, en kvantpunkt.

Bygga på deras prestation, forskarna hoppas nu kunna styra kopplingen mellan kvantpunkten och resonatorn inte bara genom att ändra avstånd, men också genom yttre stimuli - möjligen även av enstaka fotoner. Detta skulle resultera i oöverträffade nya möjligheter för optiska kvantdatorer.

"Det är helt klart en mycket användbar egenskap att energibyte mellan kvantpunkten och resonatorn sker extremt snabbt, "säger Groß. Detta löser en utmaning med en lågtemperaturinställning:Vid mycket låga temperaturer, svängningen av energi mellan ljus och materia bromsas avsevärt av resonatorns långa lagringstider.