Les chercheurs ont réussi à créer une interface lumière-matière de mécanique quantique efficace à l'aide d'une cavité microscopique. Au sein de cette cavité, un seul photon est émis et absorbé jusqu'à 10 fois par un atome artificiel. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour la technologie quantique, rapportent des physiciens de l'Université de Bâle et de l'Université de la Ruhr à Bochum dans la revue La nature .

La physique quantique décrit les photons comme des particules lumineuses. Réaliser une interaction entre un seul photon et un seul atome est un énorme défi en raison de la petite taille de l'atome. Cependant, envoyer le photon plusieurs fois au-delà de l'atome au moyen de miroirs augmente considérablement la probabilité d'une interaction.

Pour générer des photons, les chercheurs utilisent des atomes artificiels, connu sous le nom de points quantiques. Ces structures semi-conductrices consistent en une accumulation de dizaines de milliers d'atomes, mais se comportent un peu comme un seul atome :lorsqu'ils sont excités optiquement, leur état énergétique change et ils émettent un photon. "Toutefois, ils ont l'avantage technologique de pouvoir être embarqués dans une puce semi-conductrice, " dit le Dr Daniel Najer, qui a mené l'expérience au Département de physique de l'Université de Bâle.

Système de point quantique et microcavité

Normalement, ces particules lumineuses s'envolent dans toutes les directions comme une ampoule. Pour leur expérience, cependant, les chercheurs ont positionné la boîte quantique dans une cavité aux parois réfléchissantes. Les miroirs incurvés réfléchissent le photon émis d'avant en arrière jusqu'à 10, 000 fois, provoquant une interaction entre la lumière et la matière.

Les mesures montrent qu'un seul photon est émis et absorbé jusqu'à 10 fois par la boîte quantique. Au niveau quantique, le photon est transformé en un état d'énergie plus élevé de l'atome artificiel, à quel point un nouveau photon est créé. Et cela arrive très vite, ce qui est très souhaitable en termes d'applications technologiques quantiques :un cycle ne dure que 200 picosecondes.

La conversion d'un quantum d'énergie d'une boîte quantique en un photon et vice-versa est théoriquement bien supportée, mais "personne n'a jamais observé ces oscillations aussi clairement auparavant, " déclare le professeur Richard J. Warburton du Département de physique de l'Université de Bâle.

Interaction sérielle de la lumière et de la matière

L'expérience réussie est particulièrement importante car il n'y a pas d'interactions photon-photon directes dans la nature. Cependant, une interaction contrôlée est requise pour une utilisation dans le traitement de l'information quantique.

En transformant la lumière en matière selon les lois de la physique quantique, une interaction entre les photons individuels devient indirectement possible, à savoir, via le détour d'une intrication entre un photon et un spin électronique unique piégé dans la boîte quantique. Si plusieurs de ces photons sont impliqués, des portes quantiques peuvent être créées grâce à des photons intriqués. C'est une étape vitale dans la génération de qubits photoniques, qui peut stocker des informations au moyen de l'état quantique des particules lumineuses et les transmettre sur de longues distances.

Collaboration internationale

L'expérience se déroule dans la gamme de fréquences optiques et pose des exigences techniques élevées sur la taille de la cavité, qui doit être adapté à la longueur d'onde, et la réflectivité des miroirs, pour que le photon reste le plus longtemps possible dans la cavité.