Des chercheurs de Würzburg et de Londres ont réussi à contrôler le couplage de la lumière et de la matière à température ambiante. Ils ont publié leurs résultats dans Avancées scientifiques .

Cette réalisation est particulièrement significative, car il jette les bases de la réalisation de technologies quantiques photoniques pratiques. Alors que de nombreuses démonstrations de processus quantiques optiques nécessitent des températures cryogéniques pour protéger les états quantiques, le présent travail élève les processus quantiques à température ambiante et introduit la contrôlabilité, qui pourraient contribuer au développement des ordinateurs quantiques.

Une particule lumineuse (photon) est générée lorsqu'une molécule excitée ou un point quantique revient à son état fondamental de basse énergie. Ce processus est connu sous le nom d'émission spontanée, et est généralement irréversible, c'est-à-dire qu'un photon émis ne retournera pas simplement à l'émetteur pour être à nouveau absorbé.

Mais si l'émetteur est intimement couplé à un résonateur optique, le photon émis reste au voisinage de l'émetteur pendant une durée suffisamment longue, augmentant considérablement ses chances de réabsorption. "Une telle inversion de l'émission spontanée est d'une grande importance pour les technologies quantiques et le traitement de l'information, car il facilite l'échange d'informations quantiques entre la matière et la lumière tout en préservant les propriétés quantiques des deux, " dit le professeur Ortwin Hess de l'Imperial College.

Un tel échange d'informations quantiques est, cependant, généralement possible uniquement à très basse température, qui rend les raies spectrales des émetteurs nettement, et augmente donc la probabilité d'absorption. Les équipes des professeurs Bert Hecht et Ortwin Hess ont réussi à atteindre un état de couplage fort de la lumière et un émetteur quantique unique à température ambiante.

Pour réaliser la réabsorption d'un photon à température ambiante, les chercheurs ont utilisé un nanorésonateur plasmonique, sous la forme d'une fente extrêmement étroite dans une fine couche d'or. "Ce résonateur nous permet de concentrer spatialement l'énergie électromagnétique d'un photon stocké dans une zone pas beaucoup plus grande que la boîte quantique elle-même, " explique Heiko Groß, collègue du professeur Hecht. En conséquence, le photon stocké est réabsorbé avec une forte probabilité par l'émetteur.

Alors que des idées similaires ont déjà été mises en œuvre par d'autres chercheurs dans des systèmes tels que des molécules uniques, dans l'étude en cours, les chercheurs ont contrôlé le couplage entre le résonateur et l'émetteur quantique en mettant en œuvre une méthode qui leur permet de modifier en permanence le couplage et, en particulier, pour l'allumer et l'éteindre de manière précise. L'équipe y est parvenue en fixant le nano-résonateur à la pointe d'un microscope à force atomique. De cette façon, ils sont capables de le déplacer avec une précision nanométrique à proximité immédiate de l'émetteur - dans ce cas, un point quantique.

Fort de leurs réalisations, les chercheurs espèrent désormais pouvoir manipuler de manière contrôlable le couplage de la boîte quantique et du résonateur non seulement en modifiant leur distance, mais aussi par des stimuli externes, peut-être même par des photons uniques. Cela donnerait lieu à de nouvelles possibilités sans précédent pour les ordinateurs quantiques optiques.

"C'est clairement une caractéristique très utile que l'échange d'énergie entre la boîte quantique et le résonateur se produise extrêmement rapidement, " dit Groß. Cela résout le défi d'une installation à basse température :à des températures très basses, l'oscillation de l'énergie entre la lumière et la matière est considérablement ralentie par les longues durées de stockage du résonateur.