Kvantesammenfiltringen af en fri elektron med en foton er blevet opnået af forskere i Tyskland og Schweiz. Holdet, ledet af Armin Feist på Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences, opnåede bedriften ved hjælp af en ny eksperimentel opsætning, som kombinerer elementer fra fotonik og elektronmikroskopi.
Sammenfiltring i kvantemekanik opstår, når to eller flere partikler beskrives af en enkelt kvantetilstand - hvilket giver partiklerne et meget tættere forhold end tilladt af klassisk fysik.
I det hurtigt voksende felt inden for kvanteteknologi er evnen til at etablere sammenfiltring mellem partikler ofte afgørende. En særlig vigtig anvendelse af sammenfiltring er "bebudelse", hvor detektionen af en partikel i et sammenfiltret par indikerer, at den anden partikel er tilgængelig til brug i et kvantekredsløb.
Hybride par
Sammenfiltrede partikler behøver ikke at være identiske, og en ny klasse af hybride kvanteteknologier dukker op, som er afhængige af de sammenfiltrede par af forskellige partikler – for eksempel fotoner og elektroner. Det er dog stadig en udfordring at udvikle praktiske måder at sammenfiltre hybridpar.
Feist og kolleger har løst dette problem ved at skabe en ny eksperimentel opsætning, der har en ringformet optisk mikroresonator, der er placeret på en fotonisk chip. Ved hjælp af et elektronmikroskop skabte forskerne også en stråle af højenergielektroner, som passerer tangentielt til ringen. Når de passerer ringen, interagerer elektronerne med mikroresonatorens evanescerende felt. Dette resulterer i skabelsen af fotoner i ringen. Det er afgørende, at hver af disse nye fotoner er viklet ind i en elektron i strålen. Disse fotoner ekstraheres derefter fra ringen ved hjælp af en optisk fiber.
For at teste deres opsætning samlede Feists hold elektronerne og deres tilsvarende fotoner i separate detektorer og målte derefter sammenfaldet mellem deres kvantetilstande. Som de håbede, bekræftede detektoren, at elektron-foton-parrene var blevet viklet ind under interaktionsprocessen.
Destillationsmetoden styrker kvantesammenfiltringen i et enkelt par fotoner
Holdet håber, at deres teknik kan inspirere til innovationer inden for elektronmikroskopi. Gennem varsling kunne det give forskere mulighed for at undersøge interaktionen mellem elektronstråler og prøver i atomare skala ved at studere virkningerne af interaktionen på de sammenfiltrede fotoner. Disse fotoner ville være langt nemmere at måle direkte end elektronerne - og dette kunne forbedre elektronmikroskopiens følsomhed og billeddannelsesevne.
Mere bredt kunne deres tilgang udvide kvanteinformationsvidenskabens værktøjskasse til at omfatte frie elektroner - hvilket potentielt åbner nye muligheder for innovationer inden for kvanteberegning og kommunikation.
Forskningen er beskrevet i Videnskab.
