Более быстрые компьютеры, защищенная от прослушивания связь, улучшенные автомобильные датчики — квантовые технологии могут революционизировать нашу жизнь, как когда-то это сделали изобретение компьютеров или Интернета. Эксперты во всем мире пытаются внедрить результаты фундаментальных исследований в квантовые технологии. Для этого им часто требуются отдельные частицы, такие как фотоны — элементарные частицы света — с особыми свойствами.

Однако получение индивидуальных частиц сложно и требует сложных методов. В исследовании, недавно опубликованном в журнале Science, ученые представили новый метод, который одновременно генерирует две отдельные частицы в виде пары.

Фундаментальная квантовая физика в электронных микроскопах

Международная группа из Геттингенского института междисциплинарных наук им. Макса Планка (MPI), Геттингенского университета и Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (EPFL) успешно соединила отдельные свободные электроны и фотоны в электронном микроскопе. В эксперименте в Геттингене луч электронного микроскопа проходит через встроенный оптический чип, изготовленный швейцарской командой. Чип состоит из оптоволоконной связи и кольцеобразного резонатора, который накапливает свет, удерживая движущиеся фотоны по круговому пути.

«Когда электрон рассеивается в изначально пустом резонаторе, генерируется фотон», — объясняет Армин Файст, ученый из MPI и один из первых авторов исследования. «В процессе электрон теряет ровно столько энергии, сколько требуется фотону для создания практически из ничего в резонаторе. В результате две частицы соединяются посредством их взаимодействия и образуют пару». Усовершенствованный метод измерения позволил физикам точно определить вовлеченные отдельные частицы и их одновременное проявление.

Квантовая технология будущего со свободными электронами

«С парой электрон-фотон нам нужно измерить только одну частицу, чтобы получить информацию об энергетическом содержании и временном появлении второй», — говорит Жермен Аренд, доктор философии. кандидат в MPI, а также первый автор исследования. Это позволяет исследователям использовать одну квантовую частицу в эксперименте и в то же время подтверждать ее присутствие, обнаруживая другую частицу в так называемой схеме предвестников. Такая функция необходима для многих приложений квантовой технологии.

Директор Max Planck Клаус Роперс рассматривает пары электрон-фотон как новую возможность для квантовых исследований. «Этот метод открывает захватывающие новые возможности в электронной микроскопии. В области квантовой оптики запутанные пары фотонов уже улучшают изображения. Благодаря нашей работе такие концепции теперь можно исследовать с помощью электронов», — говорит Ропер.

Тобиас Киппенберг, профессор EPFL, добавляет: «Мы впервые вводим свободные электроны в набор инструментов квантовой информатики. В более широком смысле соединение свободных электронов и света с помощью интегрированной фотоники может открыть путь к новому классу гибридных квантовых технологий.»