Kvanttiinformaatio, kommunikaatio ja aistiminen perustuvat kvanttikorrelaatioiden luomiseen ja hallintaan toisiaan täydentävillä vapausasteilla. Asiantuntijat ympäri maailmaa yrittävät soveltaa perustutkimuksen tuloksia kvanttiteknologioihin.
Joskus ne vaativat yksittäisiä hiukkasia, mukaan lukien fotoneja, joilla on erityisiä ominaisuuksia. Yksittäisten hiukkasten saaminen on kuitenkin haastavaa ja vaatii erittäin kehittyneitä tekniikoita. Vapaita elektroneja käytetään jo monissa sovelluksissa valon tuottamiseen, kuten röntgenputkiin.
Uudessa tutkimuksessa tutkijat EPFL's Laboratory of Photonics and Quantum Measurement, Göttingen Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences (MPI-NAT) ja Göttingenin yliopisto esittelevät uudenlaista menetelmää onkalofotonien tuottamiseen käyttämällä vapaita elektroneja, paritilojen muodossa. He loivat elektroni-fotoni-pareja käyttämällä integroituja fotonipiirejä sirulla elektronimikroskoopissa.
Kokeessa tutkijat välittävät elektronimikroskoopin säteen sisäänrakennetulla integroidulla laitteella fotoninen siru. Siru koostuu mikrorengasresonaattorista ja optisen kuidun lähtöporteista. Tämä uusi lähestymistapa käyttää EPFL:ssä valmistettuja fotonirakenteita MPI-NAT:ssa suoritetuissa transmissioelektronimikroskooppikokeissa (TEM).
Fotoni voi muodostua aina, kun elektroni on vuorovaikutuksessa rengasresonaattorin tyhjiövaesoivan kentän kanssa. Elektroni menettää a:n energiakvantin yksi fotoni tässä prosessissa noudattaen samalla energian ja liikemäärän säilymisen periaatteita. Tämän vuorovaikutuksen seurauksena järjestelmä kehittyy paritilaan. Tiedemiesten tarkka samanaikainen elektronienergian ja tuotettujen fotonien havaitseminen, jonka äskettäin luotu mittaustekniikka on mahdollistanut, paljasti taustalla olevat elektroni-fotoni-parin tilat.
Sen lisäksi, että havainnoidaan tätä prosessia ensimmäistä kertaa yksittäisen hiukkasen tasolla, nämä havainnot toteuttavat uudenlaisen konseptin yhden fotonin tai elektronin muodostamiseksi. Tarkemmin sanottuna paritilan mittaus mahdollistaa kuulutetut hiukkaslähteet, joissa yhden hiukkasen havaitseminen signaloi toisen syntymistä. Tämä on välttämätöntä monissa kvanttiteknologian sovelluksissa ja lisää sen kasvavaa työkaluvalikoimaa.
Claus Ropers, MPI-NAT:n johtaja, sanoi: ”Menetelmä avaa kiehtovia uusia mahdollisuuksia elektronimikroskopiassa. Kvanttioptiikan alalla kietoutuvat fotoniparit parantavat jo kuvantamista. Työmme ansiosta tällaisia käsitteitä voidaan nyt tutkia elektronien avulla."
Kokeessa tutkijat käyttivät generoituja korreloituja elektroni-fotoni-pareja fotonitilan kuvantamiseen. He pystyivät saavuttamaan kolmen suuruusluokan kontrastin lisäyksen.
Tohtori Yujia Yang, EPFL:n postdoc ja tutkimuksen toinen johtaja, lisää: ”Uskomme, että työllämme on merkittävä vaikutus elektronimikroskopian tulevaan kehitykseen valjastamalla kvanttitekniikan voima"
Tobias Kippenberg, EPFL:n professori ja fotoniikan ja kvantimittauksen laboratorion johtaja, sanoi: ”Erityinen haaste tulevaisuuden kvanttiteknologialle on erilaisten fyysisten järjestelmien yhdistäminen. Tuomme ensimmäistä kertaa vapaita elektroneja työkalupakkiin kvantitiedot tiede. Laajemmin vapaiden elektronien ja valon kytkeminen integroidun fotoniikan avulla voisi avata tien uudelle hybridikvanttitekniikoiden luokalle.
Tutkimus voisi johtaa tällä hetkellä esiin nousevaan vapaan elektronin kvanttioptiikan alaan. Se voisi myös osoittaa tehokkaan kokeellisen alustan tapahtumapohjaiseen ja fotoniporttiiseen elektronispektroskopiaan ja -kuvaukseen.
Guanhao Huang, tohtori opiskelija EPFL:ssä ja tutkimuksen toinen johtaja, sanoi, "Työmme on kriittinen askel kvanttioptiikan konseptien hyödyntämisessä elektronimikroskopiassa. Aiomme tutkia tulevia tulevia suuntia, kuten elektronien levittämiä eksoottisia fotonitiloja ja kohinan vähentämistä elektronimikroskopiassa.
Lehden viite:
- Armin Feist, Guanhao Huang et ai. Onkalovälitteiset elektroni-fotoni-parit. tiede377(6607), 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
