Investigadores de Würzburg y Londres han logrado controlar el acoplamiento de luz y materia a temperatura ambiente. Han publicado sus resultados en Avances de la ciencia .

Este logro es particularmente significativo, ya que sienta las bases para la realización de tecnologías cuánticas fotónicas prácticas. Si bien muchas demostraciones de procesos cuánticos ópticos requieren temperaturas criogénicas para proteger los estados cuánticos, el presente trabajo eleva los procesos cuánticos a temperatura ambiente e introduce la controlabilidad, lo que podría contribuir al desarrollo de las computadoras cuánticas.

Se genera una partícula de luz (fotón) cuando una molécula excitada o un punto cuántico vuelve a su estado fundamental de baja energía. Este proceso se conoce como emisión espontánea, y suele ser irreversible, es decir, un fotón emitido no volverá simplemente al emisor para ser absorbido nuevamente.

Pero si el emisor está íntimamente acoplado a un resonador óptico, el fotón emitido permanece en las proximidades del emisor durante un período de tiempo suficientemente largo, aumentando considerablemente sus posibilidades de reabsorción. "Tal inversión de la emisión espontánea es de gran importancia para las tecnologías cuánticas y el procesamiento de la información, ya que facilita el intercambio de información cuántica entre la materia y la luz al tiempo que conserva las propiedades cuánticas de ambas, "dice el profesor Ortwin Hess del Imperial College.

Tal intercambio de información cuántica es, sin embargo, normalmente solo es posible a temperaturas muy bajas, que hace que las líneas espectrales de los emisores sean nítidas, y por tanto aumenta la probabilidad de absorción. Los equipos de profesores Bert Hecht y Ortwin Hess han logrado un estado de fuerte acoplamiento de luz y un único emisor cuántico a temperatura ambiente.

Para lograr la reabsorción de un fotón a temperatura ambiente, los investigadores utilizaron un nanoresonador plasmónico, en forma de una hendidura extremadamente estrecha en una fina capa de oro. "Este resonador nos permite concentrar espacialmente la energía electromagnética de un fotón almacenado en un área no mucho más grande que el propio punto cuántico, "explica la compañera de trabajo del profesor Hecht, Heiko Groß. Como resultado, el fotón almacenado es reabsorbido con alta probabilidad por el emisor.

Si bien otros investigadores ya han implementado ideas similares en sistemas como moléculas individuales, En el estudio actual, los investigadores controlaron el acoplamiento entre el resonador y el emisor cuántico mediante la implementación de un método que les permite cambiar continuamente el acoplamiento y, en particular, para encenderlo y apagarlo de manera precisa. El equipo logró esto colocando el nano-resonador en la punta de un microscopio de fuerza atómica. De esta manera, pueden moverlo con precisión nanométrica dentro de las inmediaciones del emisor, en este caso, un punto cuántico.

Sobre la base de su logro, Los investigadores ahora esperan poder manipular de manera controlable el acoplamiento del punto cuántico y el resonador no solo cambiando su distancia, pero también a través de estímulos externos, posiblemente incluso por fotones individuales. Esto daría lugar a nuevas posibilidades sin precedentes para las computadoras cuánticas ópticas.

"Claramente, es una característica muy útil que el intercambio de energía entre el punto cuántico y el resonador ocurra extremadamente rápido, "dice Groß. Esto resuelve el desafío de una configuración de baja temperatura:a temperaturas muy bajas, la oscilación de energía entre la luz y la materia se ralentiza significativamente por los largos tiempos de almacenamiento del resonador.