Onderzoekers zijn erin geslaagd een efficiënte kwantummechanische licht-materie-interface te creëren met behulp van een microscopische holte. Binnen deze holte, een enkel foton wordt tot 10 keer uitgezonden en geabsorbeerd door een kunstmatig atoom. Dit opent nieuwe perspectieven voor kwantumtechnologie, rapporteren natuurkundigen aan de Universiteit van Basel en Ruhr-Universiteit Bochum in het tijdschrift Natuur .

De kwantumfysica beschrijft fotonen als lichtdeeltjes. Het bereiken van een interactie tussen een enkel foton en een enkel atoom is een enorme uitdaging vanwege de kleine omvang van het atoom. Echter, het foton meerdere keren langs het atoom sturen door middel van spiegels vergroot de kans op een interactie aanzienlijk.

Om fotonen te genereren, de onderzoekers gebruiken kunstmatige atomen, bekend als kwantumdots. Deze halfgeleiderstructuren bestaan ​​uit een opeenstapeling van tienduizenden atomen, maar gedragen zich net als een enkel atoom:wanneer ze optisch worden geëxciteerd, hun energietoestand verandert en ze zenden een foton uit. "Echter, ze hebben het technologische voordeel dat ze kunnen worden ingebed in een halfgeleiderchip, " zegt dr. Daniel Najer, die het experiment uitvoerde bij de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel.

Systeem van kwantumpunt en microholte

Normaal gesproken, deze lichtdeeltjes vliegen als een gloeilamp alle kanten op. Voor hun experiment echter, de onderzoekers plaatsten de quantum dot in een holte met reflecterende wanden. De gebogen spiegels reflecteren het uitgezonden foton heen en weer tot 10, 000 keer, waardoor een wisselwerking tussen licht en materie ontstaat.

Metingen tonen aan dat een enkel foton tot 10 keer wordt uitgezonden en geabsorbeerd door de kwantumdot. Op kwantumniveau het foton wordt omgezet in een hogere energietoestand van het kunstmatige atoom, op welk punt een nieuw foton wordt gemaakt. En dat gaat heel snel, wat zeer wenselijk is in termen van kwantumtechnologische toepassingen:een cyclus duurt slechts 200 picoseconden.

De omzetting van een energiekwantum van een kwantumdot naar een foton en weer terug wordt theoretisch goed ondersteund, maar "niemand heeft deze trillingen ooit zo duidelijk waargenomen, " zegt professor Richard J. Warburton van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Basel.

Seriële interactie van licht en materie

Het succesvolle experiment is vooral belangrijk omdat er geen directe foton-foton-interacties in de natuur zijn. Echter, een gecontroleerde interactie is vereist voor gebruik bij de verwerking van kwantuminformatie.

Door licht om te zetten in materie volgens de wetten van de kwantumfysica, een interactie tussen individuele fotonen wordt indirect mogelijk, namelijk via de omweg van een verstrengeling tussen een foton en een enkele elektronspin gevangen in de kwantumdot. Als er meerdere van dergelijke fotonen bij betrokken zijn, kwantumpoorten kunnen worden gecreëerd door verstrengelde fotonen. Dit is een essentiële stap in het genereren van fotonische qubits, die door middel van de kwantumtoestand van lichtdeeltjes informatie kan opslaan en over lange afstanden kan verzenden.

Internationale samenwerking

Het experiment vindt plaats in het optische frequentiebereik en stelt hoge technische eisen aan de grootte van de caviteit, die moet worden aangepast aan de golflengte, en de reflectie van de spiegels, zodat het foton zo lang mogelijk in de holte blijft.