Saksan ja Sveitsin tutkijat ovat saaneet aikaan vapaan elektronin kvanttisidonnan fotoniin. Joukkue, jota johtaa Armin Feist Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences -instituutissa saavutti saavutuksen uudella kokeellisella järjestelyllä, jossa yhdistyvät fotoniikan ja elektronimikroskopian elementit.
Kvanttimekaniikassa sotkeutuminen tapahtuu, kun yksi kvanttitila kuvaa kahta tai useampaa hiukkasta, mikä antaa hiukkasille paljon läheisemmän suhteen kuin klassisen fysiikan sallii.
Nopeasti kasvavalla kvanttiteknologian alalla kyky muodostaa kietoutuminen hiukkasten välille on usein ratkaisevan tärkeää. Eräs erityisen tärkeä sotkeutumisen sovellus on "heralding", jossa yhden hiukkasen havaitseminen takertuneessa parissa osoittaa, että toinen hiukkanen on käytettävissä kvanttipiirissä.
Hybridiparit
Kietoutuneiden hiukkasten ei tarvitse olla identtisiä, ja syntymässä on uusi hybridikvanttitekniikoiden luokka, joka perustuu eri hiukkasten – esimerkiksi fotonien ja elektronien – kietoutuneisiin pareihin. Käytännön tapojen kehittäminen hybridiparien sotkemiseen on kuitenkin edelleen haaste.
Feist ja kollegat ovat käsitelleet tätä ongelmaa luomalla uuden kokeellisen kokoonpanon, jossa on renkaan muotoinen optinen mikroresonaattori, joka on sijoitettu fotoniselle sirulle. Elektronimikroskoopilla tutkijat loivat myös korkeaenergisen elektronisäteen, joka kulkee tangentiaalisesti renkaaseen. Ohitaessaan renkaan elektronit ovat vuorovaikutuksessa mikroresonaattorin häivyttävän kentän kanssa. Tämä johtaa fotonien syntymiseen renkaan sisällä. Ratkaisevaa on, että jokainen näistä uusista fotoneista on kietoutunut säteen elektroniin. Nämä fotonit uutetaan sitten renkaasta optisen kuidun avulla.
Testaakseen niiden kokoonpanoa Feistin tiimi keräsi elektronit ja niitä vastaavat fotonit erillisiin ilmaisimiin ja mittasi sitten niiden kvanttitilojen yhteensopivuuden. Kuten he toivoivat, ilmaisin vahvisti, että elektroni-fotoni-parit olivat sotkeutuneet vuorovaikutusprosessin aikana.
Tislausmenetelmä vahvistaa kvanttikietoutumista yhteen fotonipariin
Tiimi toivoo, että heidän tekniikkansa voisi inspiroida innovaatioita elektronimikroskopiassa. Heraldingin avulla se voisi antaa tutkijoille mahdollisuuden tutkia elektronisuihkujen ja atomimittakaavaisten näytteiden välistä vuorovaikutusta tutkimalla vuorovaikutuksen vaikutuksia kietoutuneisiin fotoniin. Näitä fotoneja olisi paljon helpompi mitata suoraan kuin elektroneja – ja tämä voisi parantaa elektronimikroskopian herkkyyttä ja kuvantamiskykyä.
Laajemmin heidän lähestymistapansa voisi laajentaa kvanttitietotieteen työkalupakkia sisältämään vapaita elektroneja, mikä mahdollisesti avaa uusia mahdollisuuksia innovaatioille kvanttilaskentaan ja -viestintään.
Tutkimusta kuvataan tiede.
