Крошечная полость приводит к сильное взаимодействие между светом и материей

Исследователи преуспели в создании эффективной квантово-механический свет-материя-интерфейс с использованием микроскопической полости. Внутри этой полости, один фотон испускается и поглощается до 10 раз с помощью искусственного атома. Это открывает новые перспективы для квантовых технологий, физиков доклад в Университете Базеля и Рурского университета в Бохуме в журнале Nature.

Квантовая физика описывает фотоны как частицы света. Обеспечение взаимодействия одного фотона и одного атома является огромной проблемой из-за крошечного размера атома. Однако, отправляя фотон прошлом атома в несколько раз с помощью зеркала, что значительно повышает вероятность взаимодействия.

Для того, чтобы генерировать фотоны, исследователи используют искусственные атомы, известные как квантовые точки. Эти полупроводниковые структуры состоят из скоплений десятков тысяч атомов, но ведут себя как единый атом: когда они оптически возбужденные, их изменение энергетического состояния и они испускают фотон. «Однако, они имеют технологическое преимущество, что они могут быть встроены в кристалл полупроводника», — говорит доктор Даниэль Наера, который проводил эксперимент на кафедре физики в Базельском университете.

Системы квантовых точек и микропустоты

Как правило, эти частицы света летят во все стороны, как лампочка. Для своего эксперимента, однако, исследователи расположили квантовых точек в полости с отражающими стенками. Кривые зеркала отражают испущенный фотон и обратно до 10 000 раз, в результате взаимодействия между светом и материей.

Измерения показывают что один фотон испускается и поглощается до 10 раз по квантовой точки. На квантовом уровне фотонов преобразуется в более высокое энергетическое состояние искусственного атома, при котором создается новый фотон. И это происходит очень быстро, что весьма желательно с точки зрения квантовой технологических применений: один цикл длится всего 200 пикосекунд.

Преобразование энергии кванта из квантовой точки в фотон и обратно теоретически обоснованы, но «никто никогда не наблюдал эти колебания, так явно раньше», — говорит профессор Ричард J. Warburton из кафедры физики в Базельском университете.

Последовательного взаимодействия света и вещества

Успешный эксперимент имеет особое значение, поскольку нет прямых фотон-фотонных взаимодействий в природе. Однако, контролируемого взаимодействия необходима для использования в квантовой обработки информации.

Путем преобразования света в материю по законам квантовой физики, взаимодействие отдельных фотонов становится возможным косвенно, а именно через объезд запутанность между фотонами и один спин электрона в ловушке в квантовой точке. Если участвует несколько таких фотоны, квантовые ворота могут быть созданы посредством запутанных фотонов. Это очень важный шаг в формировании фотонных кубитов, которые могут хранить информацию с помощью квантового состояния частиц света и передавать их на большие расстояния.

Международное сотрудничество

Эксперимент проходит в оптическом диапазоне частот и предъявляет высокие технические требования к размерам полости, которая должна быть адаптирована к длине волны, и отражения в зеркалах, так что фотон остается в полости как можно дольше.

В полупроводниковых квантовых точек и одно зеркало резонатора выступили коллективом под руководством профессора Андреаса Д. Вик и доктор Арне Людвиг в Рурском университете Бохума; другое зеркало было сделано в Университете Лиона. Была теоретическая поддержка квантовая теория групп оптики под руководством профессора Николя Sangouard в Университете Базеля.

Финансовых ресурсов для Базельской исследователи пришли от НКРС QSIT, Швейцарского Национального научного фонда и программы «Горизонт 2020».

сделать разницу: спонсорские возможности