Ett optiskt chip med ringformad ljuslagring, kallad mikroringresonator, och en fiberoptisk koppling. Chipet är bara tre millimeter brett, och ringresonatorn vid sin spets har en radie på 0,114 millimeter. Kredit:Armin Feist / Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences
Snabbare datorer, tappsäker kommunikation, bättre bilsensorer – kvantteknik har potential att revolutionera våra liv precis som uppfinningen av datorer eller internet en gång gjorde. Experter över hela världen försöker implementera rön från grundforskning om kvantteknologi. För detta ändamål kräver de ofta individuella partiklar, såsom fotoner - ljusets elementära partiklar - med skräddarsydda egenskaper.
Men att få fram enskilda partiklar är komplicerat och kräver intrikata metoder. I en studie som nyligen publicerats i tidskriften Science , presenterar forskare nu en ny metod som samtidigt genererar två individuella partiklar i form av ett par.
Fundamental kvantfysik i elektronmikroskop
Det internationella teamet från Göttingen Max Planck Institute (MPI) för multidisciplinära vetenskaper, universitetet i Göttingen och det schweiziska federala tekniska institutet i Lausanne (EPFL) lyckades koppla ihop enskilda fria elektroner och fotoner i ett elektronmikroskop. I Göttingen-experimentet passerar strålen från ett elektronmikroskop genom ett integrerat optiskt chip, tillverkat av det schweiziska laget. Chipet består av en fiberoptisk koppling och en ringformad resonator som lagrar ljus genom att hålla rörliga fotoner på en cirkulär bana.
"När en elektron sprids vid den initialt tomma resonatorn genereras en foton", förklarar Armin Feist, forskare vid MPI och en av studiens första författare. "I processen förlorar elektronen exakt den mängd energi som fotonen kräver för att skapas praktiskt taget från ingenting i resonatorn. Som ett resultat kopplas de två partiklarna genom sin interaktion och bildar ett par." Med en förbättrad mätmetod kunde fysikerna exakt detektera de individuella inblandade partiklarna och deras samtidiga manifestation.
Framtida kvantteknik med fria elektroner
"Med elektron-foton-paret behöver vi bara mäta en partikel för att få information om energiinnehållet och det tidsmässiga utseendet hos den andra", säger Germaine Arend, en Ph.D. kandidat vid MPI och även första författare till studien. Detta gör det möjligt för forskare att använda en kvantpartikel i ett experiment samtidigt som de bekräftar dess närvaro genom att detektera den andra partikeln, i ett så kallat häraldingschema. En sådan funktion är nödvändig för många tillämpningar inom kvantteknik.
Max Planck Direktör Claus Ropers ser elektron-fotonpar som en ny möjlighet för kvantforskning. "Metoden öppnar fascinerande nya möjligheter inom elektronmikroskopi. Inom kvantoptiken förbättrar redan intrasslade fotonpar avbildningen. Med vårt arbete kan sådana koncept nu utforskas med elektroner", säger Roper.
Tobias Kippenberg, professor vid EPFL, tillägger, "För första gången tar vi in fria elektroner i kvantinformationsvetenskapens verktygslåda. Mer allmänt kan koppling av fria elektroner och ljus med hjälp av integrerad fotonik öppna vägen för en ny klass av hybridkvantteknologier. ." + Utforska vidare
