Ny kvanteteknologi kombinerer frie elektroner og fotoner

Hurtigere computere, tryksikker kommunikation, bedre bilsensorer – kvanteteknologier har potentialet til at revolutionere vores liv, ligesom opfindelsen af ​​computere eller internettet engang gjorde. Eksperter verden over forsøger at implementere resultater fra grundforskning i kvanteteknologier. Til dette formål kræver de ofte individuelle partikler, såsom fotoner - lysets elementære partikler - med skræddersyede egenskaber.

At opnå individuelle partikler er imidlertid kompliceret og kræver indviklede metoder. I en undersøgelse for nylig offentliggjort i tidsskriftet Science , præsenterer forskere nu en ny metode, der samtidig genererer to individuelle partikler i form af et par.

Fundamental kvantefysik i elektronmikroskoper

Det internationale hold fra Göttingen Max Planck Institute (MPI) for Multidisciplinary Sciences, University of Göttingen og Swiss Federal Institute of Technology i Lausanne (EPFL) lykkedes med at koble enkelte frie elektroner og fotoner i et elektronmikroskop. I Göttingen-eksperimentet passerer strålen fra et elektronmikroskop gennem en integreret optisk chip, fremstillet af det schweiziske hold. Chippen består af en fiberoptisk kobling og en ringformet resonator, der lagrer lys ved at holde bevægelige fotoner på en cirkulær bane.

"Når en elektron spredes ved den oprindeligt tomme resonator, genereres en foton," forklarer Armin Feist, videnskabsmand ved MPI og en af ​​undersøgelsens første forfattere. "I processen mister elektronen præcis den mængde energi, som fotonen kræver for at blive skabt praktisk talt fra ingenting i resonatoren. Som følge heraf kobles de to partikler gennem deres interaktion og danner et par." Med en forbedret målemetode kunne fysikerne præcist detektere de enkelte involverede partikler og deres samtidige manifestation.

Fremtidig kvanteteknologi med frie elektroner

"Med elektron-foton-parret behøver vi kun at måle en partikel for at få information om energiindholdet og det tidsmæssige udseende af den anden," siger Germaine Arend, ph.d. kandidat ved MPI og også førsteforfatter af undersøgelsen. Dette giver forskerne mulighed for at bruge en kvantepartikel i et eksperiment, mens de samtidig bekræfter dens tilstedeværelse ved at detektere den anden partikel i et såkaldt varslingsskema. En sådan funktion er nødvendig for mange applikationer inden for kvanteteknologi.

Max Planck-direktør Claus Ropers ser elektron-foton-par som en ny mulighed for kvanteforskning. "Metoden åbner for fascinerende nye muligheder inden for elektronmikroskopi. Inden for kvanteoptik forbedrer sammenfiltrede fotonpar allerede billeddannelsen. Med vores arbejde kan sådanne koncepter nu udforskes med elektroner," siger Roper.

Tobias Kippenberg, professor ved EPFL, tilføjer:"For første gang bringer vi frie elektroner ind i kvanteinformationsvidenskabens værktøjskasse. Mere generelt kan kobling af frie elektroner og lys ved hjælp af integreret fotonik åbne vejen for en ny klasse af hybride kvanteteknologier ." + Udforsk yderligere

Integreret fotonik møder elektronmikroskopi