양자 정보, 통신 및 감지는 상호 보완적인 자유도에서 양자 상관 관계를 생성하고 제어하는 데 의존합니다. 전 세계의 전문가들은 기초 연구에서 얻은 결과를 양자 기술에 적용하기 위해 노력하고 있습니다.
때로는 특별한 속성을 가진 광자를 포함하여 개별 입자가 필요합니다. 그러나 개별 입자를 얻는 것은 어렵고 매우 정교한 기술을 요구합니다. 자유 전자는 이미 X선관과 같은 빛을 생성하는 많은 응용 분야에서 사용됩니다.
새로운 연구에서 과학자들은 EPFL의 광자 및 양자 측정 연구소, 괴팅겐 막스 플랑크 종합 과학 연구소(MPI-NAT) 및 괴팅겐 대학은 쌍 상태의 형태로 자유 전자를 사용하여 공동 광자를 생성하는 새로운 방법을 보여줍니다. 그들은 전자 현미경의 칩에 집적된 광자 회로를 사용하여 전자-광자 쌍을 만들었습니다.
실험에서 과학자들은 내장된 통합 장치에 전자 현미경 빔을 통과시킵니다. 포토닉 칩. 칩은 마이크로 링 공진기와 광섬유 출력 포트로 구성됩니다. 이 새로운 접근 방식은 MPI-NAT에서 수행된 투과 전자 현미경(TEM) 실험을 위해 EPFL에서 제작된 광자 구조를 사용합니다.
전자가 링 공진기의 진공 소멸장과 상호 작용할 때마다 광자가 생성될 수 있습니다. 전자는 의 에너지 양자를 잃는다. 단일 광자 이 과정에서 에너지 및 운동량 보존 원칙을 준수합니다. 이 상호 작용의 결과로 시스템은 쌍 상태로 발전합니다. 과학자들이 전자 에너지와 생성된 광자를 동시에 정확하게 감지하는 것은 새로 생성된 측정 기술에 의해 가능해졌으며, 기본 전자-광자 쌍 상태가 밝혀졌습니다.
이 과정을 단일 입자 수준에서 처음으로 관찰하는 것 외에도 이러한 발견은 단일 광자 또는 전자를 생성하는 새로운 개념을 구현합니다. 특히, 쌍 상태의 측정은 예고된 입자 소스를 가능하게 하며, 여기서 하나의 입자를 감지하면 다른 입자의 생성을 알릴 수 있습니다. 이것은 양자 기술의 많은 응용 프로그램에 필요하며 증가하는 도구 집합에 추가됩니다.
MPI-NAT 이사인 Claus Ropers는 다음과 같이 말했습니다. “이 방법은 전자현미경에서 매혹적인 새로운 가능성을 열어줍니다. 양자 광학 분야에서 얽힌 광자 쌍은 이미 이미징을 향상시킵니다. 우리의 작업으로 그러한 개념은 이제 전자로 탐구될 수 있습니다.”
실험에서 과학자들은 생성된 상관 전자-광자 쌍을 광자 모드 이미징에 사용했습니다. 그들은 XNUMX배 정도의 대비 향상을 달성할 수 있었습니다.
EPFL의 박사후 연구원이자 이 연구의 공동 저자인 Yujia Yang 박사는 다음과 같이 덧붙입니다. "우리는 우리의 연구가 전자현미경의 미래 발전에 상당한 영향을 미칠 것이라고 믿습니다. 양자 기술의 힘. "
EPFL 교수이자 광자 및 양자 측정 연구소 소장인 Tobias Kippenberg는 다음과 같이 말했습니다. “미래의 양자 기술에 대한 특별한 도전은 서로 다른 물리적 시스템을 어떻게 연결하느냐 하는 것입니다. 처음으로 우리는 자유 전자를 도구 상자로 가져옵니다. 양자 정보 과학. 더 광범위하게, 통합 포토닉스를 사용하여 자유 전자와 빛을 결합하면 새로운 종류의 하이브리드 양자 기술로 가는 길을 열 수 있습니다.”
이 연구는 현재 떠오르는 자유 전자 양자 광학 분야로 이어질 수 있습니다. 또한 이벤트 기반 및 광자 게이트 전자 분광법 및 이미징을 위한 강력한 실험 플랫폼을 시연할 수 있습니다.
Guanhao Huang, Ph.D. EPFL의 학생이자 이 연구의 공동 저자, 말했다, “우리의 작업은 전자 현미경에서 양자 광학 개념을 활용하는 중요한 단계를 나타냅니다. 우리는 전자현미경에서 전자가 전하는 이국적인 광자 상태 및 노이즈 감소와 같은 추가 미래 방향을 탐구할 계획입니다.”
저널 참조 :
- Armin Feist, Guanhao Huang, et al. 공동 매개 전자-광자 쌍. 과학, 377(6607), 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
