Onderzoekers uit Würzburg en Londen zijn erin geslaagd de koppeling van licht en materie bij kamertemperatuur te beheersen. Ze hebben hun resultaten gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Deze prestatie is bijzonder belangrijk, omdat het de basis legt voor de realisatie van praktische fotonische kwantumtechnologieën. Hoewel veel demonstraties van optische kwantumprocessen cryogene temperaturen vereisen om de kwantumtoestanden te beschermen, het huidige werk verheft de kwantumprocessen tot kamertemperatuur en introduceert beheersbaarheid, die zouden kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van kwantumcomputers.

Een lichtdeeltje (foton) wordt gegenereerd wanneer een aangeslagen molecuul of een kwantumpunt terugkeert naar zijn laagenergetische grondtoestand. Dit proces staat bekend als spontane emissie, en is meestal onomkeerbaar, d.w.z. een uitgezonden foton zal niet zomaar terugkeren naar de emitter om opnieuw te worden geabsorbeerd.

Maar als de zender nauw is gekoppeld aan een optische resonator, het uitgezonden foton blijft voldoende lang in de buurt van de emitter, waardoor de kans op reabsorptie aanzienlijk wordt vergroot. "Zo'n omkering van spontane emissie is van groot belang voor kwantumtechnologieën en informatieverwerking, omdat het de uitwisseling van kwantuminformatie tussen materie en licht vergemakkelijkt, terwijl de kwantumeigenschappen van beide behouden blijven, " zegt professor Ortwin Hess van het Imperial College.

Een dergelijke uitwisseling van kwantuminformatie is, echter, meestal alleen mogelijk bij zeer lage temperaturen, die spectraallijnen van emitters scherp weergeeft, en verhoogt daardoor de kans op absorptie. De teams van professoren Bert Hecht en Ortwin Hess zijn erin geslaagd om bij kamertemperatuur een staat van sterke koppeling van licht en een enkele kwantumstraler te bereiken.

Om de reabsorptie van een foton bij kamertemperatuur te bereiken, de onderzoekers gebruikten een plasmonische nanoresonator, in de vorm van een extreem smalle spleet in een dunne goudlaag. "Deze resonator stelt ons in staat om de elektromagnetische energie van een opgeslagen foton ruimtelijk te concentreren op een gebied dat niet veel groter is dan de kwantumstip zelf, ", legt Heiko Groß, collega van professor Hecht uit. het opgeslagen foton wordt met grote waarschijnlijkheid opnieuw geabsorbeerd door de emitter.

Hoewel soortgelijke ideeën al door andere onderzoekers zijn geïmplementeerd in systemen zoals afzonderlijke moleculen, in de huidige studie, de onderzoekers controleerden de koppeling tussen de resonator en de kwantumstraler door een methode te implementeren waarmee ze de koppeling continu kunnen veranderen en, vooral, om het nauwkeurig in en uit te schakelen. Het team bereikte dit door de nano-resonator aan de punt van een atoomkrachtmicroscoop te bevestigen. Op deze manier kunnen ze het met nanometerprecisie in de onmiddellijke nabijheid van de zender verplaatsen - in dit geval een kwantumpunt.

Voortbouwend op hun prestatie, de onderzoekers hopen nu de koppeling van de quantum dot en de resonator controleerbaar te kunnen manipuleren, niet alleen door hun afstand te veranderen, maar ook door externe prikkels - mogelijk zelfs door enkele fotonen. Dit zou leiden tot ongekende nieuwe mogelijkheden voor optische kwantumcomputers.

"Het is duidelijk een zeer nuttige functie dat de uitwisseling van energie tussen de kwantumdot en de resonator extreem snel gebeurt, ", zegt Groß. Dit lost een uitdaging van een lage-temperatuuropstelling op:bij zeer lage temperaturen, de oscillatie van energie tussen licht en materie wordt aanzienlijk vertraagd door de lange opslagtijden van de resonator.