I ricercatori sono riusciti a creare un'efficiente interfaccia quantomeccanica luce-materia utilizzando una cavità microscopica. All'interno di questa cavità, un singolo fotone viene emesso e assorbito fino a 10 volte da un atomo artificiale. Questo apre nuove prospettive per la tecnologia quantistica, riportano i fisici dell'Università di Basilea e dell'Università della Ruhr di Bochum sulla rivista Natura .

La fisica quantistica descrive i fotoni come particelle di luce. Raggiungere un'interazione tra un singolo fotone e un singolo atomo è una sfida enorme a causa delle minuscole dimensioni dell'atomo. Però, mandare il fotone oltre l'atomo più volte per mezzo di specchi aumenta significativamente la probabilità di un'interazione.

Per generare fotoni, i ricercatori usano atomi artificiali, noti come punti quantici. Queste strutture a semiconduttore sono costituite da un accumulo di decine di migliaia di atomi, ma si comportano come un singolo atomo:quando sono eccitati otticamente, il loro stato energetico cambia ed emettono un fotone. "Però, hanno il vantaggio tecnologico di poter essere incorporati in un chip semiconduttore, "dice il dottor Daniel Najer, che ha condotto l'esperimento presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea.

Sistema di punti quantici e microcavità

Normalmente, queste particelle luminose volano via in tutte le direzioni come una lampadina. Per il loro esperimento, però, i ricercatori hanno posizionato il punto quantico in una cavità con pareti riflettenti. Gli specchi curvi riflettono il fotone emesso avanti e indietro fino a 10, 000 volte, provocando un'interazione tra luce e materia.

Le misurazioni mostrano che un singolo fotone viene emesso e assorbito fino a 10 volte dal punto quantico. A livello quantistico, il fotone si trasforma in uno stato energetico superiore dell'atomo artificiale, a quel punto viene creato un nuovo fotone. E questo accade molto rapidamente, il che è molto desiderabile in termini di applicazioni tecnologiche quantistiche:un ciclo dura solo 200 picosecondi.

La conversione di un quanto di energia da un punto quantico a un fotone e viceversa è teoricamente ben supportata, ma "nessuno ha mai osservato queste oscillazioni così chiaramente prima, " afferma il professor Richard J. Warburton del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea.

Interazione seriale di luce e materia

L'esperimento riuscito è particolarmente significativo perché non ci sono interazioni dirette fotone-fotone in natura. Però, è necessaria un'interazione controllata per l'uso nell'elaborazione delle informazioni quantistiche.

Trasformando la luce in materia secondo le leggi della fisica quantistica, un'interazione tra singoli fotoni diventa indirettamente possibile, vale a dire, attraverso la deviazione di un entanglement tra un fotone e uno spin di un singolo elettrone intrappolato nel punto quantico. Se sono coinvolti più fotoni di questo tipo, le porte quantistiche possono essere create attraverso fotoni entangled. Questo è un passaggio fondamentale nella generazione di qubit fotonici, che può immagazzinare informazioni per mezzo dello stato quantistico delle particelle luminose e trasmetterle su lunghe distanze.

Collaborazione internazionale

L'esperimento si svolge nella gamma di frequenze ottiche e pone elevate esigenze tecniche sulla dimensione della cavità, che deve essere adattato alla lunghezza d'onda, e la riflettività degli specchi, in modo che il fotone rimanga nella cavità il più a lungo possibile.