De kwantumverstrengeling van een vrij elektron met een foton is bereikt door onderzoekers in Duitsland en Zwitserland. Het team, onder leiding van Armin Feist aan het Max Planck Instituut voor Multidisciplinaire Wetenschappen, bereikte deze prestatie met behulp van een nieuwe experimentele opstelling, die elementen van fotonica en elektronenmicroscopie combineert.
Verstrengeling in de kwantummechanica vindt plaats wanneer twee of meer deeltjes worden beschreven door een enkele kwantumtoestand, waardoor de deeltjes een veel nauwere relatie krijgen dan toegestaan door de klassieke natuurkunde.
In het snelgroeiende veld van de kwantumtechnologie is het vermogen om verstrengeling tussen deeltjes tot stand te brengen vaak cruciaal. Een bijzonder belangrijke toepassing van verstrengeling is ‘heralding’, waarbij de detectie van één deeltje in een verstrengeld paar aangeeft dat het andere deeltje beschikbaar is voor gebruik in een kwantumcircuit.
Hybride paren
Verstrengelde deeltjes hoeven niet identiek te zijn, en er ontstaat een nieuwe klasse van hybride kwantumtechnologieën die afhankelijk zijn van de verstrengelde paren van verschillende deeltjes – fotonen en elektronen bijvoorbeeld. Het blijft echter een uitdaging om praktische manieren te ontwikkelen om hybride paren te verstrengelen.
Feist en collega's hebben dit probleem aangepakt door een nieuwe experimentele opstelling te creëren met een ringvormige optische microresonator die op een fotonische chip is geplaatst. Met behulp van een elektronenmicroscoop creëerden de onderzoekers ook een bundel hoogenergetische elektronen, die tangentieel naar de ring gaan. Terwijl ze de ring passeren, interageren de elektronen met het verdwijnende veld van de microresonator. Dit resulteert in de creatie van fotonen binnen de ring. Cruciaal is dat elk van deze nieuwe fotonen verstrengeld is met een elektron in de straal. Deze fotonen worden vervolgens met behulp van een optische vezel uit de ring gehaald.
Om hun opstelling te testen verzamelde het team van Feist de elektronen en de bijbehorende fotonen in afzonderlijke detectoren en mat vervolgens de coïncidentie tussen hun kwantumtoestanden. Zoals ze hoopten bevestigde de detector dat de elektron-fotonparen tijdens het interactieproces verstrengeld waren geraakt.
De destillatiemethode versterkt de kwantumverstrengeling in een enkel paar fotonen
Het team hoopt dat hun techniek innovaties op het gebied van elektronenmicroscopie kan inspireren. Door middel van herautisering zouden onderzoekers de interactie tussen elektronenbundels en monsters op atomaire schaal kunnen onderzoeken door de effecten van de interactie op de verstrengelde fotonen te bestuderen. Deze fotonen zouden veel gemakkelijker rechtstreeks te meten zijn dan de elektronen – en dit zou de gevoeligheid en beeldvormingsmogelijkheden van elektronenmicroscopie kunnen verbeteren.
Breder gezien zou hun aanpak de toolkit van de kwantuminformatiewetenschap kunnen uitbreiden met vrije elektronen, wat mogelijk nieuwe mogelijkheden zou openen voor innovaties op het gebied van kwantumcomputers en communicatie.
Het onderzoek is beschreven in Wetenschap.
