جفت‌شدگی نور و ماده در حالت عادی در دمای پایین امکان‌پذیر است که باعث کند شدن انتقال انرژی می‌شود. آیا راهی برای کنترل آن وجود دارد؟

پژوهشگران ورزبرگ و لندن موفق به کنترل جفت‌شدگی نور و ماده در دمای اتاق شدند. این پژوهشگران نتایج کار خود را در Science Advances منتشر کردند.

این دستاورد به دلیل کاربرد در بررسی مبانی تکنولوژی کوانتومی فوتونی، اهممیت بسیار دارد. با اینکه در اکثر بررسی ها‌ی اپتیک کوانتومی برای ثابت نگه داشتن حالت‌ها‌ی کوانتومی به دما‌ی برودتی نیاز است، پروژه‌ی جدید امکان انجام فرایند‌ها‌ی کوانتومی در دما‌ی اتاق را فراهم می‌کند و آن را قابل کنترل می‌کند. این پروژه به ارتقا‌ء کاپپیوتر‌ها‌ی کوانتومی، کمک بسیاری خواهد کرد.

یک ذره‌ی نور (فوتون)، زمانی به‌ وجود می‌آید که یک نقطه‌ی کوانتومی یا یک مولکول بر‌انگیخته به حالت پایه‌ی انرژی خود برگردد. این فرایند به گسیل خود‌به‌خودی مشهور است و معمولا برگشت‌پذیر نیست؛ به این معنی که اتم به‌صورت خود‌به‌خود به حالت قبلی برنمی‌گردد.

اما در صورتی که ماده‌ی گسیل‌کننده با یک تشدید‌گر اپتیکی به‌خوبی جفت شده باشد، فوتون گسیل‌شده، مدت نسبتا زیادی در مجاورت ماده‌ی تابش‌کننده باقی می‌ماند. در واقع این فرایند، فرصت دوباره‌ای برای جذب ایجاد می‌کند.

پروفسور اورتین هس از دانشکده‌ی Imperial می‌گوید:

این فرایند گسیل خود‌به‌خودی قابل بازگشت، در تکنولوژی کوانتومی و پردازش داده‌ها‌ی کوانتومی نقش بسیاری دارد. چرا که این فرایند به تبادل اطلاعات کوانتومی بین نور و ماده با حفظ ویژگی‌ها‌ی کوانتومی هر دو آن‌ها، کمک می‌کند.

تبادل اطلاعات کوانتومی معمولا تنها در دما‌ها‌ی پایین امکان‌پذیر است. در این شرایط، خطوط طیفی جذبی بسیار واضح هستند و احتمال جذب نیز زیاد می‌شود. دو پروفسور به‌ نام‌ها‌ی برت هچ و اورتوین هس توانستند به جفت‌شدگی قوی میان نور و انتشار‌گر کوانتومی در دما‌ی اتاق دست پیدا کنند.

پژوهشگران برای دست یافتن به شرایط جذب دوباره‌ی فوتون در دما‌ی اتاق، از یک تشدید‌گر نانو پلاسما به شکل یک شکاف بسیار باریک از جنس لایه‌ی طلا استفاده کردند.

همکار پروفسور هچ به‌نام هیکو گراب توضیح می‌دهد:

این تشدید‌گر با استفاده از ذخیره‌ی فوتون دوباره گسیل‌شده، امکان متمرکز کردن انرژی الکترو‌مغناطیسی یک فوتون ذخیره‌شده در ناحیه‌ای در حد و اندازه‌ی یک نقطه‌ی کوانتومی را به ما می‌دهد.

درحالی‌که کار‌ها‌ی مشابه توسط دیگر پژوهشگران با استفاده از سیستم‌ها‌ی تک‌مولکولی انجام شده است، در پروژه‌ی اخیر، پژوهشگران جفت‌شدگی بین تشدید‌گر و انتشار‌گر کوانتومی را کنترل کردند. پژوهشگران این کار را با استفاده از روشی برای تغییر جفت‌شدگی به‌صورت پیوسته انجام دادند تا بتوانند با نظم خاصی جفت‌شدگی را قطع و وصل کنند. تیم مورد نظر، این کار را با اتصال یک تشدید‌گر نانو به یک میکروسکوپ اتمی انجام داد. در مورد یک نقطه‌ی کوانتومی می‌توان این سیستم را در مجاورت انتشار‌گر، با دقت نانو‌متری حرکت داد.

پژوهشگران امیدوارند بتوانند با استفاده جفت‌شدگی نقاط کوانتومی و تشدید‌گر را با روش‌ها‌ی دیگری غیر از تغییر فاصله‌ی آن‌ها و حتی با یک فوتون انجام دهند. این فرایند می‌تواند احتمالات بیش‌تری در کامپیوتر‌ها‌ی کوانتومی اپتیکی ایجاد کند.

گراب می‌گوید:

مفید‌ترین قسمت این فرایند، بسیار سریع بودن تبادل انرژی بین نقطه‌ی کوانتومی و تشدید‌گر است.

این ویژگی، مشکل دما‌ی پایین را حل می‌کند. در دما‌ی پایین، نوسان انرژی میان نور و ماده، بسیار کند می‌شود چرا که زمان ذخیره‌ی تشدید‌گر افزایش می‌یابد.