تعتمد المعلومات والتواصل والاستشعار الكمومي على توليد والتحكم في الارتباطات الكمية بدرجات تكميلية من الحرية. يحاول الخبراء في جميع أنحاء العالم تنفيذ نتائج البحوث الأساسية في تقنيات الكم.
في بعض الأحيان تتطلب جسيمات فردية ، بما في ذلك الفوتونات ذات الخصائص الخاصة. ومع ذلك ، فإن الحصول على جسيمات فردية يمثل تحديًا ويستدعي تقنيات معقدة للغاية. تُستخدم الإلكترونات الحرة بالفعل في العديد من التطبيقات لإنتاج الضوء ، مثل أنابيب الأشعة السينية.
في دراسة جديدة ، قام علماء من EPFLيعرض مختبر الفوتونات والقياس الكمي ، ومعهد جوتنجن ماكس بلانك للعلوم متعددة التخصصات (MPI-NAT) ، وجامعة غوتنغن طريقة جديدة لتوليد فوتونات التجويف باستخدام الإلكترونات الحرة ، في شكل حالات زوجية. لقد أنشأوا أزواجًا من الإلكترون والفوتون باستخدام دوائر فوتونية متكاملة على شريحة في مجهر إلكتروني.
في إحدى التجارب ، يقوم العلماء بتمرير شعاع مجهر إلكتروني على جهاز مدمج مدمج رقاقة فوتونية. تتكون الرقاقة من مرنان حلقة صغيرة ومنافذ إخراج ألياف بصرية. يستخدم هذا النهج الجديد الهياكل الضوئية المصنعة في EPFL لتجارب المجهر الإلكتروني (TEM) التي يتم إجراؤها في MPI-NAT.
يمكن إنتاج الفوتون عندما يتفاعل إلكترون مع المجال الزائل الفراغي للرنان الحلقي. يفقد الإلكترون كمية الطاقة لـ a فوتون واحد في هذه العملية مع الالتزام بمبادئ الحفاظ على الطاقة والزخم. يتطور النظام إلى حالة زوج نتيجة لهذا التفاعل. كشف اكتشاف العلماء الدقيق المتزامن لطاقة الإلكترون والفوتونات المنتجة ، والذي أصبح ممكنًا بفضل تقنية قياس تم إنشاؤها حديثًا ، عن حالات زوج الإلكترون والفوتون الأساسية.
إلى جانب مراقبة هذه العملية لأول مرة على مستوى الجسيم الفردي ، فإن هذه النتائج تنفذ مفهومًا جديدًا لتوليد فوتون أو إلكترون واحد. على وجه التحديد ، يمكّن قياس حالة الزوج من مصادر الجسيمات المعلنة ، حيث يشير اكتشاف جسيم واحد إلى توليد الآخر. هذا ضروري للعديد من التطبيقات في تكنولوجيا الكم ويضيف إلى مجموعة أدواتها المتنامية.
قال كلاوس روبرز ، مدير MPI-NAT ، "تفتح هذه الطريقة إمكانيات جديدة رائعة في المجهر الإلكتروني. في مجال البصريات الكمومية ، تعمل أزواج الفوتونات المتشابكة بالفعل على تحسين التصوير. من خلال عملنا ، يمكن الآن استكشاف مثل هذه المفاهيم باستخدام الإلكترونات ".
في التجربة ، استخدم العلماء أزواج الإلكترون والفوتون المترابطة المتولدة لتصوير الوضع الضوئي. كانوا قادرين على تحقيق ثلاثة أوامر من حجم التباين المحسن.
يضيف الدكتور يوجيا يانغ ، باحث ما بعد الدكتوراة في EPFL والمؤلف الرئيسي المشارك للدراسة: "نعتقد أن عملنا له تأثير كبير على التطور المستقبلي في المجهر الإلكتروني من خلال تسخيرها قوة تكنولوجيا الكم".
قال توبياس كيبنبرغ ، الأستاذ في EPFL ورئيس مختبر الضوئيات والقياس الكمومي ، يتمثل أحد التحديات الخاصة لتكنولوجيا الكم المستقبلية في كيفية ربط الأنظمة الفيزيائية المختلفة. لأول مرة ، نأتي بالإلكترونات الحرة إلى صندوق الأدوات المعلومات الكمية علوم. على نطاق أوسع ، يمكن أن يؤدي اقتران الإلكترونات الحرة والضوء باستخدام الضوئيات المتكاملة إلى فتح الطريق أمام فئة جديدة من تقنيات الكم الهجينة ".
يمكن أن تؤدي الدراسة إلى المجال الناشئ حاليًا للبصريات الكمومية للإلكترون الحر. يمكن أن يُظهر أيضًا منصة تجريبية قوية للتصوير الطيفي والتصوير الإلكتروني القائم على الأحداث والبوابات الضوئية.
Guanhao Huang ، دكتوراه. طالب في EPFL ومؤلف مشارك في الدراسة ، محمد, يمثل عملنا خطوة حاسمة لاستخدام مفاهيم البصريات الكمومية في المجهر الإلكتروني. نحن نخطط لاستكشاف المزيد من الاتجاهات المستقبلية مثل الحالات الضوئية الغريبة التي يبشر بها الإلكترون وتقليل الضوضاء في المجهر الإلكتروني ".
المرجع مجلة:
- أرمين فيست ، جوانهاو هوانغ وآخرون. أزواج الإلكترون والفوتون بوساطة التجويف. علوم، 377 (6607) ، 777-780. DOI: 10.1126 / العلوم. abo5037
