Forskare har lyckats skapa ett effektivt kvantmekaniskt ljus-materia-gränssnitt med hjälp av en mikroskopisk hålighet. Inuti denna hålighet, en enda foton emitteras och absorberas upp till 10 gånger av en artificiell atom. Detta öppnar nya möjligheter för kvantteknologi, rapporterar fysiker vid universitetet i Basel och Ruhr-universitetet i Bochum i tidskriften Natur .

Kvantfysiken beskriver fotoner som ljuspartiklar. Att uppnå en interaktion mellan en enda foton och en enda atom är en enorm utmaning på grund av atomens lilla storlek. Dock, att skicka fotonen förbi atomen flera gånger med hjälp av speglar ökar avsevärt sannolikheten för en interaktion.

För att generera fotoner, forskarna använder konstgjorda atomer, känd som kvantprickar. Dessa halvledarstrukturer består av en ansamling av tiotusentals atomer, men beter sig ungefär som en enda atom:när de är optiskt exciterade, deras energitillstånd förändras och de avger en foton. "Dock, de har den tekniska fördelen att de kan bäddas in i ett halvledarchip, " säger Dr Daniel Najer, som genomförde experimentet vid institutionen för fysik vid universitetet i Basel.

System av kvantprick och mikrohålighet

I vanliga fall, dessa ljuspartiklar flyger iväg i alla riktningar som en glödlampa. För deras experiment, dock, forskarna placerade kvantpunkten i ett hålrum med reflekterande väggar. De böjda speglarna reflekterar den emitterade fotonen fram och tillbaka upp till 10, 000 gånger, orsakar en växelverkan mellan ljus och materia.

Mätningar visar att en enda foton emitteras och absorberas upp till 10 gånger av kvantpunkten. På kvantnivå, fotonen omvandlas till ett högre energitillstånd av den konstgjorda atomen, vid vilken tidpunkt en ny foton skapas. Och detta händer väldigt snabbt, vilket är mycket önskvärt när det gäller kvantteknologiska tillämpningar:en cykel varar bara 200 pikosekunder.

Omvandlingen av ett energikvantum från en kvantpunkt till en foton och tillbaka igen är teoretiskt väl underbyggd, men "ingen har någonsin observerat dessa svängningar så tydligt tidigare, säger professor Richard J. Warburton från institutionen för fysik vid universitetet i Basel.

Seriell interaktion mellan ljus och materia

Det framgångsrika experimentet är särskilt betydelsefullt eftersom det inte finns några direkta foton-fotoninteraktioner i naturen. Dock, en kontrollerad interaktion krävs för användning i kvantinformationsbehandling.

Genom att omvandla ljus till materia enligt kvantfysikens lagar, en interaktion mellan individuella fotoner blir indirekt möjlig — nämligen via omvägen av en intrassling mellan en foton och en enstaka elektronspin fångade i kvantpunkten. Om flera sådana fotoner är inblandade, kvantportar kan skapas genom intrasslade fotoner. Detta är ett viktigt steg i genereringen av fotoniska qubits, som kan lagra information med hjälp av ljuspartiklarnas kvanttillstånd och överföra dem över långa avstånd.

Internationellt samarbete

Experimentet sker i det optiska frekvensområdet och ställer höga tekniska krav på kavitetens storlek, som måste anpassas till våglängden, och speglarnas reflektionsförmåga, så att fotonen stannar kvar i kaviteten så länge som möjligt.