Kvantesammenfiltringen av et fritt elektron med et foton er oppnådd av forskere i Tyskland og Sveits. Teamet, ledet av Armin Feist ved Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences, oppnådde bragden ved å bruke et nytt eksperimentelt oppsett, som kombinerer elementer fra fotonikk og elektronmikroskopi.
Sammenfiltring i kvantemekanikk oppstår når to eller flere partikler beskrives av en enkelt kvantetilstand - noe som gir partiklene et mye nærmere forhold enn tillatt av klassisk fysikk.
I det raskt voksende feltet av kvanteteknologi er evnen til å etablere sammenfiltring mellom partikler ofte avgjørende. En spesielt viktig anvendelse av sammenfiltring er "heralding" hvor deteksjon av en partikkel i et sammenfiltret par indikerer at den andre partikkelen er tilgjengelig for bruk i en kvantekrets.
Hybride par
Sammenfiltrede partikler trenger ikke å være identiske, og en ny klasse hybrid kvanteteknologier dukker opp som er avhengig av de sammenfiltrede parene av forskjellige partikler – for eksempel fotoner og elektroner. Det er imidlertid fortsatt en utfordring å utvikle praktiske måter å vikle hybridpar på.
Feist og kolleger har løst dette problemet ved å lage et nytt eksperimentelt oppsett som har en ringformet optisk mikroresonator som er plassert på en fotonisk brikke. Ved hjelp av et elektronmikroskop skapte forskerne også en stråle med høyenergielektroner, som passerer tangentielt til ringen. Når de passerer ringen, samhandler elektronene med det flyktige feltet til mikroresonatoren. Dette resulterer i dannelsen av fotoner i ringen. Det er avgjørende at hver av disse nye fotonene er viklet inn i et elektron i strålen. Disse fotonene blir deretter ekstrahert fra ringen ved hjelp av en optisk fiber.
For å teste oppsettet deres samlet Feists team elektronene og deres tilsvarende fotoner i separate detektorer, og målte deretter sammenfallet mellom deres kvantetilstander. Som de håpet, bekreftet detektoren at elektron-foton-parene hadde blitt viklet inn under interaksjonsprosessen.
Destillasjonsmetoden styrker kvantesammenfiltring i et enkelt par fotoner
Teamet håper at teknikken deres kan inspirere til innovasjoner innen elektronmikroskopi. Gjennom varsling kan det tillate forskere å undersøke interaksjonen mellom elektronstråler og prøver i atomskala ved å studere virkningene av interaksjonen på de sammenfiltrede fotonene. Disse fotonene ville være mye lettere å måle direkte enn elektronene - og dette kan forbedre følsomheten og bildeevnen til elektronmikroskopi.
Mer bredt kan tilnærmingen deres utvide verktøysettet til kvanteinformasjonsvitenskap til å inkludere frie elektroner - potensielt åpne nye muligheter for innovasjoner innen kvantedatabehandling og kommunikasjon.
Forskningen er beskrevet i Vitenskap.
