La nouvelle technologie quantique combine des électrons libres et des photons

L'information, la communication et la détection quantiques reposent sur la génération et le contrôle de corrélations quantiques à des degrés de liberté complémentaires. Des experts du monde entier tentent d’appliquer les résultats de la recherche fondamentale aux technologies quantiques.

Parfois, ils nécessitent des particules individuelles, notamment des photons dotés de propriétés particulières. Cependant, obtenir des particules individuelles est un défi et nécessite des techniques très sophistiquées. Les électrons libres sont déjà utilisés dans de nombreuses applications pour produire de la lumière, comme les tubes à rayons X.

Dans une nouvelle étude, des scientifiques de EPFLLe laboratoire de photonique et de mesure quantique de l'Institut Max Planck des sciences multidisciplinaires de Göttingen (MPI-NAT) et l'université de Göttingen démontrent une nouvelle méthode permettant de générer des photons de cavité à l'aide d'électrons libres, sous la forme d'états de paires. Ils ont créé des paires électron-photon à l’aide de circuits photoniques intégrés sur une puce dans un microscope électronique.

Dans une expérience, des scientifiques font passer le faisceau d'un microscope électronique sur un puce photonique. La puce se compose d'un résonateur à micro-anneau et de ports de sortie à fibre optique. Cette nouvelle approche utilise des structures photoniques fabriquées à l'EPFL pour des expériences au microscope électronique à transmission (MET) réalisées au MPI-NAT.

Un photon peut être produit chaque fois qu'un électron interagit avec le champ évanescent sous vide du résonateur en anneau. L'électron perd le quantum d'énergie d'un photon unique dans ce processus tout en adhérant aux principes de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement. Le système évolue vers un état de paire à la suite de cette interaction. La détection simultanée précise par les scientifiques de l'énergie des électrons et des photons produits, rendue possible par une technique de mesure nouvellement créée, a révélé les états sous-jacents de la paire électron-photon.

En plus d'observer ce processus pour la première fois au niveau d'une particule unique, ces résultats mettent en œuvre un nouveau concept pour générer un photon ou un électron unique. Plus précisément, la mesure de l’état de paire permet d’obtenir des sources de particules annoncées, où la détection d’une particule signale la génération de l’autre. Ceci est nécessaire pour de nombreuses applications de la technologie quantique et s’ajoute à son ensemble d’outils croissant.

Claus Ropers, directeur du MPI-NAT, a déclaré : « La méthode ouvre de nouvelles possibilités fascinantes en microscopie électronique. Dans le domaine de l’optique quantique, les paires de photons intriqués améliorent déjà l’imagerie. Grâce à nos travaux, de tels concepts peuvent désormais être explorés avec des électrons.

Dans le cadre d’expériences, les scientifiques ont utilisé les paires électron-photon corrélées générées pour l’imagerie en mode photonique. Ils ont pu obtenir une amélioration du contraste de trois ordres de grandeur.

Le Dr Yujia Yang, postdoctorant à l'EPFL et co-auteur principal de l'étude, ajoute : « Nous pensons que nos travaux auront un impact substantiel sur le développement futur de la microscopie électronique en exploitant la puissance de la technologie quantique. »

Tobias Kippenberg, professeur à l'EPFL et chef du Laboratoire de photonique et de mesure quantique, a déclaré : « Un défi particulier pour la future technologie quantique est de savoir comment interfacer différents systèmes physiques. Pour la première fois, nous introduisons des électrons libres dans la boîte à outils de informations quantiques science. Plus largement, le couplage des électrons libres et de la lumière à l’aide de la photonique intégrée pourrait ouvrir la voie à une nouvelle classe de technologies quantiques hybrides.

L’étude pourrait conduire au domaine actuellement émergent de l’optique quantique à électrons libres. Il pourrait également démontrer une puissante plate-forme expérimentale pour la spectroscopie et l’imagerie électroniques basées sur des événements et dépendantes des photons.

Guanhao Huang, titulaire d'un doctorat. étudiant à l'EPFL et co-auteur principal de l'étude, a affirmé Valérie Plante., « Notre travail représente une étape cruciale pour utiliser les concepts de l’optique quantique en microscopie électronique. Nous prévoyons d’explorer d’autres orientations futures telles que les états photoniques exotiques annoncés par les électrons et la réduction du bruit en microscopie électronique.

Journal de référence:

1. Armin Feist, Guanhao Huang et coll. Paires électron-photon médiées par la cavité. Sciences, 377(6607), 777-780. EST CE QUE JE: 10.1126/science.abo5037