Lograr una fuerte interacción luz-materia a nivel cuántico siempre ha sido una tarea central en la física cuántica desde la aparición de la información cuántica y el control cuántico. Sin embargo, el desajuste de escala entre los emisores cuánticos (nanómetros) y los fotones (micrómetros) dificulta la tarea. Las nanoestructuras metálicas resuelven el desajuste al exprimir la luz en un volumen a nanoescala, pero sus severas disipaciones hacen que los controles cuánticos sean poco probables. Ahora, un grupo dirigido por Xiao Yun-Feng en la Universidad de Pekín (China) ha demostrado teóricamente que la fuerte interacción luz-materia a nivel cuántico se puede lograr utilizando nanoestructuras metálicas diseñadas por microcavidades. Este resultado ha sido publicado en un número reciente de Cartas de revisión física .

El acoplamiento fuerte es fundamental para implementar puertas cuánticas en computadoras cuánticas y también es crucial para aumentar la relación señal / ruido en aplicaciones de detección. Para realizar un acoplamiento fuerte, la fuerza de interacción coherente debe exceder las tasas de disipación del sistema. Aunque las nanoestructuras metálicas proporcionan una alta tasa de interacción, las disipaciones intrínsecas a los metales suelen ser incluso más fuertes. Como resultado, El acoplamiento fuerte en nanoestructuras metálicas solo se ha realizado en condiciones experimentales extremas.

En este trabajo, los investigadores informan que la disipación se puede suprimir mediante la ingeniería del entorno electromagnético de nanoestructuras metálicas. Una microcavidad óptica proporciona un entorno electromagnético no trivial que amplía sustancialmente el canal de salida radiativa de las nanoestructuras metálicas, guiar la energía fuera de la región disipativa y así suprimir las disipaciones. Con tal interfaz, la energía y la información pueden extraerse del emisor cuántico único a alta velocidad y alta eficiencia.

"El modelo teórico muestra que las estructuras metálicas diseñadas por microcavidades pueden aumentar la eficiencia de la radiación de un emisor cuántico en 40 veces y la tasa de salida de radiación en 50 veces, en comparación con nanoestructuras metálicas en el vacío ", dijo Peng Pai, quien era un estudiante de la Universidad de Pekín y ahora es un Ph.D. estudiante del Instituto de Tecnología de Massachusetts. En tono rimbombante, Se puede lograr un intercambio de energía reversible entre el fotón y el emisor cuántico a una tasa de THz, manifestando la fuerte interacción luz-materia a nivel cuántico.

"Nuestro enfoque para reducir las disipaciones no está restringido por la escala, forma, y material de las nanoestructuras metálicas, ", dijo el profesor Xiao." En combinación con enfoques anteriores, es prometedor construir la interfaz de luz-materia de última generación a nanoescala utilizando nanoestructuras metálicas diseñadas por microcavidades, proporcionando una nueva plataforma para el estudio de la plasmónica cuántica, procesamiento de información cuántica, detección precisa y espectroscopia avanzada ".