Atteindre une forte interaction lumière-matière au niveau quantique a toujours été une tâche centrale en physique quantique depuis l'émergence de l'information quantique et du contrôle quantique. Cependant, le décalage d'échelle entre les émetteurs quantiques (nanomètres) et les photons (micromètres) rend la tâche difficile. Les nanostructures métalliques résolvent le décalage en comprimant la lumière dans un volume à l'échelle nanométrique, mais leurs fortes dissipations rendent les contrôles quantiques peu probables. Maintenant, un groupe dirigé par Xiao Yun-Feng à l'Université de Pékin (Chine) a théoriquement démontré que la forte interaction lumière-matière au niveau quantique peut être obtenue à l'aide de nanostructures métalliques conçues par microcavité. Ce résultat a été publié dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

Un couplage fort est fondamental pour la mise en œuvre de portes quantiques dans les ordinateurs quantiques et également crucial pour augmenter le rapport signal sur bruit dans les applications de détection. Pour réaliser un couplage fort, la force d'interaction cohérente doit dépasser les taux de dissipation du système. Bien que les nanostructures métalliques offrent un taux d'interaction élevé, les dissipations intrinsèques aux métaux sont généralement encore plus fortes. Par conséquent, le couplage fort dans les nanostructures métalliques n'a été réalisé que dans des conditions expérimentales extrêmes.

Dans ce travail, les chercheurs rapportent que la dissipation peut être supprimée en créant l'environnement électromagnétique des nanostructures métalliques. Une microcavité optique fournit un environnement électromagnétique non trivial qui élargit sensiblement le canal de sortie radiatif des nanostructures métalliques, guidant l'énergie hors de la région dissipative et supprimant ainsi les dissipations. Avec une telle interface, l'énergie et l'information peuvent être guidées à partir de l'émetteur quantique unique à la fois à grande vitesse et à haut rendement.

"Le modèle théorique montre que les structures métalliques conçues par des microcavités peuvent multiplier par 40 l'efficacité de rayonnement d'un émetteur quantique et 50 fois le taux de sortie de rayonnement, par rapport aux nanostructures métalliques dans le vide", dit Peng Pai, qui était étudiant de premier cycle à l'Université de Pékin et est maintenant titulaire d'un doctorat. étudiant au Massachusetts Institute of Technology. Surtout, un échange d'énergie réversible entre le photon et l'émetteur quantique au taux de THz peut être réalisé, manifestant la forte interaction lumière-matière au niveau quantique.

"Notre approche pour réduire les dissipations n'est pas limitée par l'échelle, forme, et matériau des nanostructures métalliques, " a déclaré le professeur Xiao. " En combinaison avec les approches précédentes, il est prometteur de construire l'interface lumière-matière de pointe à l'échelle nanométrique en utilisant des nanostructures métalliques conçues par microcavité, fournir une nouvelle plate-forme pour l'étude de la plasmonique quantique, traitement de l'information quantique, détection précise et spectroscopie avancée."