Et hulrum fører til et stærkt samspil mellem lys og stof

Det er lykkedes forskere at skabe et effektivt kvantemekanisk lysstof-interface ved hjælp af et mikroskopisk hulrum. Inden for dette hulrum, en enkelt foton udsendes og absorberes op til 10 gange af et kunstigt atom. Dette åbner nye udsigter for kvanteteknologi, rapporterer fysikere ved University of Basel og Ruhr-University Bochum i tidsskriftet Natur .

Kvantfysik beskriver fotoner som lette partikler. At opnå en interaktion mellem en enkelt foton og et enkelt atom er en kæmpe udfordring på grund af atomets lille størrelse. Imidlertid, at sende foton forbi atomet flere gange ved hjælp af spejle øger sandsynligheden for en interaktion betydeligt.

For at generere fotoner, forskerne bruger kunstige atomer, kendt som kvantepunkter. Disse halvlederstrukturer består af en ophobning af titusinder af atomer, men opfører sig meget som et enkelt atom:når de er optisk spændte, deres energitilstand ændres, og de udsender en foton. "Imidlertid, de har den teknologiske fordel, at de kan indlejres i en halvlederchip, "siger Dr. Daniel Najer, der gennemførte eksperimentet på Institut for Fysik ved University of Basel.

System for kvanteprik og mikrokavitet

Normalt, disse lyspartikler flyver af sted i alle retninger som en pære. Til deres eksperiment, imidlertid, forskerne placerede kvantepunktet i et hulrum med reflekterende vægge. De buede spejle afspejler den udsendte foton frem og tilbage op til 10, 000 gange, forårsager en vekselvirkning mellem lys og stof.

Målinger viser, at en enkelt foton udsendes og absorberes op til 10 gange af kvantepunktet. På kvante niveau, fotonet omdannes til en højere energitilstand i det kunstige atom, på hvilket tidspunkt der oprettes en ny foton. Og det sker meget hurtigt, hvilket er meget ønskeligt med hensyn til kvanteteknologiske anvendelser:en cyklus varer kun 200 picosekunder.

Konvertering af en energikvant fra en kvanteprik til en foton og tilbage igen er teoretisk godt understøttet, men "ingen har nogensinde observeret disse svingninger så tydeligt før, "siger professor Richard J. Warburton fra Institut for Fysik ved University of Basel.

Seriel vekselvirkning mellem lys og stof

Det vellykkede eksperiment er særlig vigtigt, fordi der ikke er nogen direkte foton-foton-interaktioner i naturen. Imidlertid, en kontrolleret interaktion er påkrævet til brug i kvanteinformationsbehandling.

Ved at omdanne lys til stof i henhold til kvantefysikkens love, en interaktion mellem individuelle fotoner bliver indirekte mulig - nemlig via omkørsel af en sammenfiltring mellem en foton og et enkelt elektronspin fanget i kvantepunktet. Hvis flere sådanne fotoner er involveret, kvanteporte kan skabes gennem sammenfiltrede fotoner. Dette er et vigtigt skridt i generationen af ​​fotoniske qubits, som kan lagre information ved hjælp af lyspartiklernes kvantetilstand og overføre dem over lange afstande.

Internationalt samarbejde

Forsøget finder sted i det optiske frekvensområde og stiller høje tekniske krav til hulrummets størrelse, som skal tilpasses bølgelængden, og spejlenes refleksionsevne, så fotonet forbliver i hulrummet så længe som muligt.