Los investigadores han logrado crear una interfaz de luz-materia mecánica cuántica eficiente utilizando una cavidad microscópica. Dentro de esta cavidad, un solo fotón es emitido y absorbido hasta 10 veces por un átomo artificial. Esto abre nuevas perspectivas para la tecnología cuántica, reportan físicos de la Universidad de Basilea y la Universidad Ruhr-Bochum en la revista Naturaleza .

La física cuántica describe los fotones como partículas de luz. Lograr una interacción entre un solo fotón y un solo átomo es un gran desafío debido al pequeño tamaño del átomo. Sin embargo, enviar el fotón más allá del átomo varias veces por medio de espejos aumenta significativamente la probabilidad de una interacción.

Para generar fotones, los investigadores utilizan átomos artificiales, conocidos como puntos cuánticos. Estas estructuras semiconductoras consisten en una acumulación de decenas de miles de átomos, pero se comportan como un solo átomo:cuando están ópticamente excitados, su estado energético cambia y emiten un fotón. "Sin embargo, tienen la ventaja tecnológica de que pueden integrarse en un chip semiconductor, "dice el Dr. Daniel Najer, quien realizó el experimento en el Departamento de Física de la Universidad de Basilea.

Sistema de punto cuántico y microcavidad.

Normalmente, estas partículas de luz vuelan en todas direcciones como una bombilla. Para su experimento, sin embargo, los investigadores colocaron el punto cuántico en una cavidad con paredes reflectantes. Los espejos curvos reflejan el fotón emitido hacia adelante y hacia atrás hasta 10, 000 veces, provocando una interacción entre la luz y la materia.

Las mediciones muestran que un solo fotón es emitido y absorbido hasta 10 veces por el punto cuántico. A nivel cuántico, el fotón se transforma en un estado de mayor energía del átomo artificial, momento en el que se crea un nuevo fotón. Y esto sucede muy rápido, lo cual es muy deseable en términos de aplicaciones de tecnología cuántica:un ciclo dura solo 200 picosegundos.

La conversión de un cuanto de energía de un punto cuántico a un fotón y viceversa está teóricamente bien respaldada, pero "nadie ha observado estas oscilaciones con tanta claridad antes, "dice el profesor Richard J. Warburton del Departamento de Física de la Universidad de Basilea.

Interacción en serie de luz y materia.

El éxito del experimento es particularmente significativo porque no hay interacciones directas fotón-fotón en la naturaleza. Sin embargo, se requiere una interacción controlada para su uso en el procesamiento de información cuántica.

Transformando la luz en materia de acuerdo con las leyes de la física cuántica, una interacción entre fotones individuales se vuelve indirectamente posible, a saber, a través del desvío de un entrelazamiento entre un fotón y el espín de un solo electrón atrapado en el punto cuántico. Si varios de estos fotones están involucrados, Las puertas cuánticas se pueden crear a través de fotones entrelazados. Este es un paso vital en la generación de qubits fotónicos, que puede almacenar información mediante el estado cuántico de partículas de luz y transmitirlas a largas distancias.

Colaboración internacional

El experimento tiene lugar en el rango de frecuencia óptica y plantea altas exigencias técnicas sobre el tamaño de la cavidad. que debe adaptarse a la longitud de onda, y la reflectividad de los espejos, para que el fotón permanezca en la cavidad el mayor tiempo posible.