A szabad elektron és a foton kvantumösszefonódását németországi és svájci kutatók érték el. A csapat vezetésével Armin Feist a Max Planck Institute for Multidiszciplináris Tudományok Intézetében egy új kísérleti elrendezéssel érte el a bravúrt, amely a fotonika és az elektronmikroszkóp elemeit ötvözi.
A kvantummechanikában az összefonódás akkor következik be, amikor két vagy több részecskét egyetlen kvantumállapot ír le – így a részecskék a klasszikus fizika által megengedettnél sokkal szorosabb kapcsolatban állnak egymással.
A kvantumtechnológia gyorsan növekvő területén a részecskék közötti összefonódás létrehozásának képessége gyakran kulcsfontosságú. Az összefonódás egyik különösen fontos alkalmazása a „heralding”, amelynek során az egyik részecske detektálása egy összefonódott párban azt jelzi, hogy a másik részecske kvantumkörben használható.
Hibrid párok
Az összegabalyodott részecskéknek nem kell azonosaknak lenniük, és a hibrid kvantumtechnológiák új osztálya van kialakulóban, amelyek különböző részecskék – például fotonok és elektronok – összegabalyodott párjaira támaszkodnak. Mindazonáltal továbbra is kihívást jelent a hibrid párok összefonódásának gyakorlati módszereinek kidolgozása.
Feist és munkatársai egy új kísérleti elrendezést hoztak létre ezzel a kérdéssel, amely egy gyűrű alakú optikai mikrorezonátort tartalmaz, amelyet egy fotonikus chipre helyeznek. A kutatók elektronmikroszkóp segítségével egy nagy energiájú elektronnyalábot is létrehoztak, amely érintőlegesen halad át a gyűrűn. Ahogy áthaladnak a gyűrűn, az elektronok kölcsönhatásba lépnek a mikrorezonátor eltávozó mezőjével. Ennek eredményeként fotonok keletkeznek a gyűrűn belül. Lényeges, hogy ezen új fotonok mindegyike egy-egy elektronnal van összefonva a nyalábban. Ezeket a fotonokat ezután optikai szál segítségével vonják ki a gyűrűből.
Beállításuk teszteléséhez Feist csapata külön detektorokba gyűjtötte az elektronokat és a hozzájuk tartozó fotonokat, majd megmérte a kvantumállapotaik közötti egybeesést. Ahogy remélték, a detektor megerősítette, hogy az elektron-foton párok összegabalyodtak a kölcsönhatási folyamat során.
A desztillációs módszer megerősíti a kvantumösszefonódást egyetlen fotonpárban
A csapat azt reméli, hogy technikájuk inspirálhatja az elektronmikroszkópiás innovációkat. A beharangozás révén lehetővé teheti a kutatók számára, hogy megvizsgálják az elektronsugarak és az atomi léptékű minták közötti kölcsönhatást azáltal, hogy tanulmányozzák a kölcsönhatás hatását az összegabalyodott fotonokra. Ezeket a fotonokat sokkal könnyebb lenne közvetlenül mérni, mint az elektronokat – és ez növelheti az elektronmikroszkópia érzékenységét és képalkotó képességeit.
Tágabb értelemben megközelítésük kiterjesztheti a kvantuminformáció-tudomány eszköztárát a szabad elektronokra is, ami potenciálisan új lehetőségeket nyithat meg a kvantumszámítási és kommunikációs innovációk előtt.
A kutatás leírása a Tudomány.
