Splątanie kwantowe wolnego elektronu z fotonem zostało osiągnięte przez naukowców w Niemczech i Szwajcarii. Zespół, kierowany przez Armina Feista w Instytucie Nauk Multidyscyplinarnych im. Maxa Plancka udało się to osiągnąć dzięki nowej konfiguracji eksperymentalnej, która łączy elementy fotoniki i mikroskopii elektronowej.
Splątanie w mechanice kwantowej występuje, gdy dwie lub więcej cząstek jest opisanych przez jeden stan kwantowy – co daje cząsteczkom znacznie bliższy związek, niż pozwala na to fizyka klasyczna.
W szybko rozwijającej się dziedzinie technologii kwantowej zdolność do ustalenia splątania między cząstkami jest często kluczowa. Jednym ze szczególnie ważnych zastosowań splątania jest „zapowiadanie”, w którym wykrycie jednej cząstki w splątanej parze wskazuje, że druga cząstka jest dostępna do użycia w obwodzie kwantowym.
Pary hybrydowe
Splątane cząstki nie muszą być identyczne i pojawia się nowa klasa hybrydowych technologii kwantowych, które opierają się na splątanych parach różnych cząstek – na przykład fotonów i elektronów. Jednak opracowanie praktycznych sposobów splątania par hybrydowych pozostaje wyzwaniem.
Feist i współpracownicy zajęli się tym problemem, tworząc nowy układ eksperymentalny, który zawiera mikrorezonator optyczny w kształcie pierścienia, który jest umieszczony na chipie fotonicznym. Za pomocą mikroskopu elektronowego naukowcy stworzyli również wiązkę elektronów o wysokiej energii, która przechodzi stycznie do pierścienia. Gdy przechodzą przez pierścień, elektrony oddziałują z zanikającym polem mikrorezonatora. Powoduje to powstanie fotonów w pierścieniu. Co najważniejsze, każdy z tych nowych fotonów jest splątany z elektronem w wiązce. Fotony te są następnie ekstrahowane z pierścienia za pomocą światłowodu.
Aby przetestować ich konfigurację, zespół Feista zebrał elektrony i odpowiadające im fotony w oddzielnych detektorach, a następnie zmierzył koincydencję między ich stanami kwantowymi. Jak mieli nadzieję, detektor potwierdził, że pary elektron-foton splątały się podczas procesu interakcji.
Metoda destylacji wzmacnia splątanie kwantowe w pojedynczej parze fotonów
Zespół ma nadzieję, że ich technika może zainspirować innowacje w mikroskopii elektronowej. Dzięki zwiastowaniu może umożliwić naukowcom badanie interakcji między wiązkami elektronów a próbkami w skali atomowej poprzez badanie wpływu interakcji na splątane fotony. Fotony te byłyby znacznie łatwiejsze do zmierzenia bezpośrednio niż elektrony – a to mogłoby zwiększyć czułość i możliwości obrazowania mikroskopii elektronowej.
Mówiąc szerzej, ich podejście może rozszerzyć zestaw narzędzi informatyki kwantowej o swobodne elektrony, potencjalnie otwierając nowe możliwości dla innowacji w obliczeniach kwantowych i komunikacji.
Badania opisano w nauka.
