Die Quantenverschränkung eines freien Elektrons mit einem Photon ist Forschern in Deutschland und der Schweiz gelungen. Das Team, angeführt von Armin Feist am Max-Planck-Institut für multidisziplinäre Wissenschaften, gelang das Kunststück mit einem neuen Versuchsaufbau, der Elemente der Photonik und der Elektronenmikroskopie kombiniert.
Verschränkung in der Quantenmechanik tritt auf, wenn zwei oder mehr Teilchen durch einen einzigen Quantenzustand beschrieben werden – was den Teilchen eine viel engere Beziehung gibt, als es die klassische Physik zulässt.
Auf dem schnell wachsenden Gebiet der Quantentechnologie ist die Fähigkeit, eine Verschränkung zwischen Teilchen herzustellen, oft entscheidend. Eine besonders wichtige Anwendung der Verschränkung ist das „Ankündigen“, wobei die Detektion eines Teilchens in einem verschränkten Paar anzeigt, dass das andere Teilchen für die Verwendung in einem Quantenschaltkreis verfügbar ist.
Hybride Paare
Verschränkte Teilchen müssen nicht identisch sein, und es entsteht eine neue Klasse hybrider Quantentechnologien, die auf verschränkten Paaren verschiedener Teilchen beruhen – beispielsweise Photonen und Elektronen. Die Entwicklung praktischer Wege zur Verschränkung von Hybridpaaren bleibt jedoch eine Herausforderung.
Feist und Kollegen haben dieses Problem angegangen, indem sie einen neuen experimentellen Aufbau geschaffen haben, der einen ringförmigen optischen Mikroresonator aufweist, der auf einem photonischen Chip platziert ist. Mithilfe eines Elektronenmikroskops erzeugten die Forscher außerdem einen Strahl aus hochenergetischen Elektronen, der tangential zum Ring verläuft. Beim Passieren des Rings interagieren die Elektronen mit dem evaneszenten Feld des Mikroresonators. Dies führt zur Erzeugung von Photonen innerhalb des Rings. Entscheidend ist, dass jedes dieser neuen Photonen mit einem Elektron im Strahl verschränkt ist. Diese Photonen werden dann mit einer optischen Faser aus dem Ring extrahiert.
Um ihren Aufbau zu testen, sammelte Feists Team die Elektronen und ihre entsprechenden Photonen in separaten Detektoren und maß dann die Koinzidenz zwischen ihren Quantenzuständen. Wie sie hofften, bestätigte der Detektor, dass sich die Elektron-Photon-Paare während des Wechselwirkungsprozesses verschränkt hatten.
Die Destillationsmethode verstärkt die Quantenverschränkung in einem einzelnen Photonenpaar
Das Team hofft, dass ihre Technik Innovationen in der Elektronenmikroskopie anregen könnte. Durch Herolding könnte es Forschern ermöglichen, die Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahlen und Proben im atomaren Maßstab zu untersuchen, indem sie die Auswirkungen der Wechselwirkung auf die verschränkten Photonen untersuchen. Diese Photonen wären viel einfacher direkt zu messen als die Elektronen – und dies könnte die Empfindlichkeit und Abbildungsfähigkeit der Elektronenmikroskopie verbessern.
Im weiteren Sinne könnte ihr Ansatz das Instrumentarium der Quanteninformationswissenschaft um freie Elektronen erweitern – was potenziell neue Möglichkeiten für Innovationen in der Quanteninformatik und -kommunikation eröffnen könnte.
Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft.
