Os pesquisadores conseguiram criar uma interface de luz-matéria mecânica quântica eficiente usando uma cavidade microscópica. Dentro desta cavidade, um único fóton é emitido e absorvido até 10 vezes por um átomo artificial. Isso abre novas perspectivas para a tecnologia quântica, relatam físicos da Universidade de Basel e Ruhr-University Bochum no jornal Natureza .

A física quântica descreve os fótons como partículas de luz. Conseguir uma interação entre um único fóton e um único átomo é um grande desafio devido ao pequeno tamanho do átomo. Contudo, enviar o fóton através do átomo várias vezes por meio de espelhos aumenta significativamente a probabilidade de uma interação.

Para gerar fótons, os pesquisadores usam átomos artificiais, conhecido como pontos quânticos. Essas estruturas semicondutoras consistem em um acúmulo de dezenas de milhares de átomos, mas se comportam como um único átomo:quando estão opticamente excitados, seu estado de energia muda e eles emitem um fóton. "Contudo, eles têm a vantagem tecnológica de que podem ser incorporados em um chip semicondutor, "diz o Dr. Daniel Najer, que conduziu o experimento no Departamento de Física da Universidade de Basel.

Sistema de ponto quântico e microcavidade

Normalmente, essas partículas de luz voam em todas as direções como uma lâmpada. Para seu experimento, Contudo, os pesquisadores posicionaram o ponto quântico em uma cavidade com paredes reflexivas. Os espelhos curvos refletem o fóton emitido para frente e para trás até 10, 000 vezes, causando uma interação entre luz e matéria.

As medições mostram que um único fóton é emitido e absorvido até 10 vezes pelo ponto quântico. No nível quântico, o fóton é transformado em um estado de maior energia do átomo artificial, em que ponto um novo fóton é criado. E isso acontece muito rapidamente, o que é muito desejável em termos de aplicações tecnológicas quânticas:um ciclo dura apenas 200 picossegundos.

A conversão de um quantum de energia de um ponto quântico para um fóton e vice-versa é teoricamente bem suportada, mas "ninguém jamais observou essas oscilações tão claramente antes, "diz o professor Richard J. Warburton, do Departamento de Física da Universidade de Basel.

Interação serial de luz e matéria

O experimento bem-sucedido é particularmente significativo porque não há interações fóton-fóton diretas na natureza. Contudo, uma interação controlada é necessária para uso no processamento de informações quânticas.

Ao transformar a luz em matéria de acordo com as leis da física quântica, uma interação entre fótons individuais torna-se indiretamente possível, ou seja, através do desvio de um emaranhamento entre um fóton e um único spin de elétron preso no ponto quântico. Se vários desses fótons estiverem envolvidos, portas quânticas podem ser criadas por meio de fótons emaranhados. Esta é uma etapa vital na geração de qubits fotônicos, que pode armazenar informações por meio do estado quântico das partículas de luz e transmiti-las por longas distâncias.

Colaboração internacional

O experimento ocorre na faixa de frequência óptica e impõe altas demandas técnicas sobre o tamanho da cavidade, que deve ser adaptado ao comprimento de onda, e a refletividade dos espelhos, para que o fóton permaneça na cavidade pelo maior tempo possível.