Raggiungere una forte interazione luce-materia a livello quantistico è sempre stato un compito centrale nella fisica quantistica dall'emergere dell'informazione quantistica e del controllo quantistico. Però, la discrepanza di scala tra gli emettitori quantistici (nanometri) e i fotoni (micrometri) rende il compito impegnativo. Le nanostrutture metalliche risolvono il disallineamento comprimendo la luce in un volume su scala nanometrica, ma le loro gravi dissipazioni rendono improbabili i controlli quantistici. Ora, un gruppo guidato da Xiao Yun-Feng dell'Università di Pechino (Cina) ha teoricamente dimostrato che la forte interazione luce-materia a livello quantistico può essere ottenuta utilizzando nanostrutture metalliche ingegnerizzate in microcavità. Questo risultato è stato pubblicato in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

Un accoppiamento forte è fondamentale per implementare porte quantistiche nei computer quantistici e anche cruciale per aumentare il rapporto segnale-rumore nelle applicazioni di rilevamento. Per realizzare un forte accoppiamento, la forza di interazione coerente dovrebbe superare i tassi di dissipazione del sistema. Sebbene le nanostrutture metalliche forniscano un alto tasso di interazione, le dissipazioni intrinseche ai metalli sono in genere anche maggiori. Di conseguenza, un forte accoppiamento in nanostrutture metalliche è stato realizzato solo in condizioni sperimentali estreme.

In questo lavoro, i ricercatori riferiscono che la dissipazione può essere soppressa ingegnerizzando l'ambiente elettromagnetico delle nanostrutture metalliche. Una microcavità ottica fornisce un ambiente elettromagnetico non banale che amplia sostanzialmente il canale di uscita radiativo delle nanostrutture metalliche, guidando l'energia fuori dalla regione dissipativa e sopprimendo così le dissipazioni. Con una tale interfaccia, energia e informazioni possono essere espulse dal singolo emettitore quantistico sia ad alta velocità che ad alta efficienza.

"Il modello teorico mostra che le strutture metalliche progettate con microcavità possono aumentare l'efficienza delle radiazioni di un emettitore quantistico di 40 volte e la velocità di emissione delle radiazioni di 50 volte, rispetto alle nanostrutture metalliche nel vuoto", disse Peng Pai, che era uno studente universitario all'Università di Pechino e ora ha un dottorato di ricerca. studente al Massachusetts Institute of Technology. È importante sottolineare che si può ottenere uno scambio di energia reversibile tra il fotone e l'emettitore quantistico a velocità THz, manifestando la forte interazione luce-materia a livello quantistico.

"Il nostro approccio alla riduzione delle dissipazioni non è limitato dalla scala, forma, e materiale delle nanostrutture metalliche, " ha detto il professor Xiao. "In combinazione con gli approcci precedenti, è promettente per costruire l'interfaccia luce-materia all'avanguardia su scala nanometrica utilizzando nanostrutture metalliche ingegnerizzate a microcavità, fornendo una nuova piattaforma per lo studio della plasmonica quantistica, elaborazione quantistica delle informazioni, rilevamento preciso e spettroscopia avanzata."