Публикация в таком журнале, как Science Advances, обычно предвещает особенно захватывающее нововведение. Теперь физики из Университета Юлиуса Максимилиана Вюрцбурга (JMU) в Германии и Имперского колледжа Лондона в Великобритании сообщают о контролируемом взаимодействии света и вещества при комнатной температуре.
Это достижение особенно важно, поскольку оно закладывает основы для реализации практических фотонных квантовых технологий. Действительно, хотя многие демонстрации оптических квантовых процессов требуют криогенных температур для защиты квантовых состояний, настоящая работа поднимает квантовые процессы до комнатной температуры и вводит управляемость — оба жизненно важных элемента квантовых технологий, таких как квантовые компьютеры, которые в определенной степени " вычислять с помощью света »и, возможно, во много раз мощнее существующих компьютеров.Испускаемые фотоны захватываются и повторно поглощаются
Легкая частица (фотон) генерируется, когда, например, возбужденная молекула или квантовая точка возвращается в свое низкоэнергетическое основное состояние. Этот процесс обычно известен как спонтанное излучение и обычно является необратимым, то есть излучаемый фотон не просто возвращается к излучателю для повторного поглощения.Но если излучатель тесно связан с чем-то вроде накопительного элемента для света, так называемого оптического резонатора, то излучаемый фотон остается поблизости от излучателя в течение достаточно длительного периода времени, что значительно увеличивает его шанс на повторное поглощение. «Такое обращение спонтанного излучения имеет первостепенное значение для квантовых технологий и обработки информации, не в последнюю очередь потому, что оно облегчает обмен квантовой информацией между материей и светом, сохраняя при этом квантовые свойства обоих», — говорит профессор Ортвин Хесс из Имперского колледжа.
Настало время для плазмонных нанорезонаторовОднако такой обмен квантовой информацией обычно возможен только при очень низких температурах, что делает спектральные линии излучателей очень резкими и, следовательно, увеличивает вероятность поглощения. Команды профессоров Берта Хехта и Ортвина Хесса теперь являются одними из первых групп в мире, которым удалось достичь состояния сильной связи света и единого квантового излучателя (квантовой точки) при комнатной температуре.Чтобы добиться повторного поглощения фотона даже при комнатной температуре, исследователи используют плазмонный нанорезонатор, который имеет форму чрезвычайно узкой щели в тонком слое золота. «Этот резонатор позволяет нам пространственно концентрировать электромагнитную энергию сохраненного фотона в области, которая не намного больше, чем сама квантовая точка», — объясняет коллега профессора Хехта Хайко Гро.
В результате сохраненный фотон с высокой вероятностью повторно поглощается излучателем.Точный контроль связи между эмиттером и резонаторомХотя аналогичные идеи уже были реализованы другими исследователями в таких системах, как одиночные молекулы, в опубликованной сейчас работе исследователям из Лондона и Вюрцбурга также удалось контролировать связь между резонатором и квантовым излучателем, реализовав метод, который позволяет им постоянно менять муфту и, в частности, точно включать и выключать ее.
Команда достигла этого, прикрепив нанорезонатор к наконечнику атомно-силового микроскопа. Таким образом, они могут перемещать его с точностью до нанометра в непосредственной близости от излучателя — в данном случае квантовой точки.Сверхбыстрый обмен энергией между эмиттером и резонаторомОпираясь на свои достижения, исследователи теперь надеются, что смогут контролируемым образом управлять связью квантовой точки и резонатора не только путем изменения их расстояния, но и с помощью внешних стимулов — возможно, даже с помощью отдельных фотонов.
Это приведет к беспрецедентным новым возможностям на сложном пути реализации оптических квантовых компьютеров.«Совершенно очевидно, что очень быстро происходит обмен энергией между квантовой точкой и резонатором», — говорит Гро ?. Это решает проблему низкотемпературной установки: при очень низких температурах колебания энергии между светом и веществом значительно замедляются из-за длительного времени хранения в резонаторе.