Η κβαντική εμπλοκή ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου με ένα φωτόνιο έχει επιτευχθεί από ερευνητές στη Γερμανία και την Ελβετία. Η ομάδα, με επικεφαλής τον Άρμιν Φέιστ στο Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences, πέτυχε το κατόρθωμα χρησιμοποιώντας μια νέα πειραματική διάταξη, η οποία συνδυάζει στοιχεία φωτονικής και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας.
Η εμπλοκή στην κβαντομηχανική συμβαίνει όταν δύο ή περισσότερα σωματίδια περιγράφονται από μία μόνο κβαντική κατάσταση – δίνοντας στα σωματίδια μια πολύ στενότερη σχέση από ό,τι επιτρέπεται από την κλασική φυσική.
Στο ταχέως αναπτυσσόμενο πεδίο της κβαντικής τεχνολογίας, η ικανότητα δημιουργίας εμπλοκής μεταξύ των σωματιδίων είναι συχνά κρίσιμη. Μια ιδιαίτερα σημαντική εφαρμογή της εμπλοκής είναι η «αναγγελία» όπου η ανίχνευση ενός σωματιδίου σε ένα μπερδεμένο ζεύγος δείχνει ότι το άλλο σωματίδιο είναι διαθέσιμο για χρήση σε ένα κβαντικό κύκλωμα.
Υβριδικά ζεύγη
Τα μπλεγμένα σωματίδια δεν χρειάζεται να είναι πανομοιότυπα και μια νέα κατηγορία υβριδικών κβαντικών τεχνολογιών αναδύεται που βασίζεται στα μπερδεμένα ζεύγη διαφορετικών σωματιδίων – φωτόνια και ηλεκτρόνια, για παράδειγμα. Ωστόσο, η ανάπτυξη πρακτικών τρόπων εμπλοκής υβριδικών ζευγών παραμένει μια πρόκληση.
Ο Feist και οι συνεργάτες του έχουν αντιμετωπίσει αυτό το ζήτημα δημιουργώντας μια νέα πειραματική διάταξη που διαθέτει έναν οπτικό μικροσυντονιστή σε σχήμα δακτυλίου που τοποθετείται σε ένα φωτονικό τσιπ. Χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, οι ερευνητές δημιούργησαν επίσης μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, η οποία περνά εφαπτομενικά στον δακτύλιο. Καθώς περνούν τον δακτύλιο, τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με το παροδικό πεδίο του μικροσυντονιστή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία φωτονίων εντός του δακτυλίου. Το σημαντικό είναι ότι κάθε ένα από αυτά τα νέα φωτόνια είναι μπλεγμένο με ένα ηλεκτρόνιο στη δέσμη. Αυτά τα φωτόνια στη συνέχεια εξάγονται από τον δακτύλιο χρησιμοποιώντας μια οπτική ίνα.
Για να δοκιμάσει τη διάταξη τους, η ομάδα του Feist συνέλεξε τα ηλεκτρόνια και τα αντίστοιχα φωτόνια τους σε ξεχωριστούς ανιχνευτές και στη συνέχεια μέτρησε τη σύμπτωση μεταξύ των κβαντικών καταστάσεων τους. Όπως ήλπιζαν, ο ανιχνευτής επιβεβαίωσε ότι τα ζεύγη ηλεκτρονίων-φωτονίων είχαν εμπλακεί κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αλληλεπίδρασης.
Η μέθοδος απόσταξης ενισχύει την κβαντική εμπλοκή σε ένα μόνο ζεύγος φωτονίων
Η ομάδα ελπίζει ότι η τεχνική τους θα μπορούσε να εμπνεύσει καινοτομίες στην ηλεκτρονική μικροσκοπία. Μέσω της αναγγελίας, θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να διερευνήσουν την αλληλεπίδραση μεταξύ δέσμης ηλεκτρονίων και δειγμάτων ατομικής κλίμακας μελετώντας τα αποτελέσματα της αλληλεπίδρασης στα μπερδεμένα φωτόνια. Αυτά τα φωτόνια θα ήταν πολύ πιο εύκολο να μετρηθούν απευθείας από τα ηλεκτρόνια – και αυτό θα μπορούσε να ενισχύσει την ευαισθησία και τις δυνατότητες απεικόνισης της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας.
Ευρύτερα, η προσέγγισή τους θα μπορούσε να επεκτείνει την εργαλειοθήκη της επιστήμης της κβαντικής πληροφορίας για να συμπεριλάβει ελεύθερα ηλεκτρόνια – δυνητικά ανοίγοντας νέες δυνατότητες για καινοτομίες στους κβαντικούς υπολογιστές και τις επικοινωνίες.
Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστήμη.
