Kontrolleret kobling af lys og stof

Det er lykkedes forskere fra Würzburg og London at kontrollere koblingen af ​​lys og stof ved stuetemperatur. De har offentliggjort deres resultater i Videnskabens fremskridt .

Denne præstation er særlig vigtig, da det bygger grundlaget for realiseringen af ​​praktiske fotoniske kvanteteknologier. Mens mange demonstrationer af optiske kvanteprocesser kræver kryogene temperaturer for at beskytte kvantetilstandene, dette arbejde hæver kvanteprocesserne til stuetemperatur og introducerer kontrollerbarhed, som kunne bidrage til udviklingen af ​​kvantecomputere.

En lyspartikel (foton) dannes, når et exciteret molekyle eller en kvanteprik vender tilbage til sin lavenergi-grundtilstand. Denne proces er kendt som spontan emission, og er normalt irreversibel, dvs. en udsendt foton vil ikke blot vende tilbage til emitteren for at blive absorberet igen.

Men hvis emitteren er tæt koblet til en optisk resonator, den udsendte foton forbliver i nærheden af ​​emitteren i en tilstrækkelig lang periode, øger dets chancer for reabsorption betydeligt. "En sådan vending af spontan emission er af stor betydning for kvanteteknologier og informationsbehandling, da det letter udvekslingen af ​​kvanteinformation mellem stof og lys, mens det bevarer begges kvanteegenskaber, " siger professor Ortwin Hess fra Imperial College.

En sådan udveksling af kvanteinformation er, imidlertid, normalt kun muligt ved meget lave temperaturer, som gengiver spektrallinjer af emittere skarpt, og øger derfor sandsynligheden for absorption. Holdene af professorer Bert Hecht og Ortwin Hess er lykkedes med at opnå en tilstand af stærk kobling af lys og en enkelt kvanteemitter ved stuetemperatur.

For at opnå reabsorption af en foton ved stuetemperatur, forskerne brugte en plasmonisk nanoresonator, i form af en ekstrem smal spalte i et tyndt guldlag. "Denne resonator giver os mulighed for rumligt at koncentrere den elektromagnetiske energi af en lagret foton til et område, der ikke er meget større end selve kvanteprikken, " forklarer professor Hechts kollega Heiko Groß. Som følge heraf, den lagrede foton reabsorberes med høj sandsynlighed af emitteren.

Mens lignende ideer allerede er blevet implementeret af andre forskere i systemer som enkelte molekyler, i den aktuelle undersøgelse, forskerne kontrollerede koblingen mellem resonatoren og kvanteemitteren ved at implementere en metode, der tillader dem løbende at ændre koblingen og, i særdeleshed, at tænde og slukke for den på en præcis måde. Holdet opnåede dette ved at fastgøre nano-resonatoren til spidsen af ​​et atomkraftmikroskop. På denne måde er de i stand til at flytte den med nanometerpræcision i umiddelbar nærhed af emitteren - i dette tilfælde, en kvanteprik.

Bygger på deres præstationer, forskerne håber nu at være i stand til kontrollerbart at manipulere koblingen af ​​kvanteprikken og resonatoren ikke kun ved at ændre deres afstand, men også gennem eksterne stimuli - muligvis endda af enkelte fotoner. Dette ville resultere i hidtil usete nye muligheder for optiske kvantecomputere.

"Det er klart en meget nyttig funktion, at udvekslingen af ​​energi mellem kvanteprikken og resonatoren sker ekstremt hurtigt, " siger Groß. Dette løser en udfordring med en lavtemperaturopstilling:Ved meget lave temperaturer, energisvingningen mellem lys og stof bremses betydeligt af resonatorens lange lagringstider.