O emaranhamento quântico de um elétron livre com um fóton foi alcançado por pesquisadores na Alemanha e na Suíça. A equipe, liderada por Armin Feist do Instituto Max Planck de Ciências Multidisciplinares, conseguiu o feito usando uma nova configuração experimental, que combina elementos de fotônica e microscopia eletrônica.
O emaranhamento na mecânica quântica ocorre quando duas ou mais partículas são descritas por um único estado quântico – dando às partículas uma relação muito mais próxima do que o permitido pela física clássica.
No campo em rápido crescimento da tecnologia quântica, a capacidade de estabelecer emaranhamento entre partículas é muitas vezes crucial. Uma aplicação particularmente importante do emaranhamento é o “arauto”, em que a detecção de uma partícula em um par emaranhado indica que a outra partícula está disponível para uso em um circuito quântico.
Pares híbridos
As partículas emaranhadas não precisam de ser idênticas, e está a surgir uma nova classe de tecnologias quânticas híbridas que se baseiam nos pares emaranhados de partículas diferentes – fotões e eletrões, por exemplo. No entanto, o desenvolvimento de formas práticas de entrelaçar pares híbridos continua a ser um desafio.
Feist e colegas abordaram esse problema criando uma nova configuração experimental que apresenta um microrressonador óptico em forma de anel colocado em um chip fotônico. Usando um microscópio eletrônico, os pesquisadores também criaram um feixe de elétrons de alta energia, que passa tangencialmente ao anel. Ao passarem pelo anel, os elétrons interagem com o campo evanescente do microrressonador. Isso resulta na criação de fótons dentro do anel. Crucialmente, cada um desses novos fótons está emaranhado com um elétron no feixe. Esses fótons são então extraídos do anel usando uma fibra óptica.
Para testar a sua configuração, a equipa de Feist recolheu os eletrões e os seus fotões correspondentes em detectores separados e depois mediu a coincidência entre os seus estados quânticos. Como esperavam, o detector confirmou que os pares elétron-fóton haviam ficado emaranhados durante o processo de interação.
Método de destilação fortalece o emaranhamento quântico em um único par de fótons
A equipe espera que sua técnica possa inspirar inovações em microscopia eletrônica. Através do arauto, poderia permitir aos pesquisadores investigar a interação entre feixes de elétrons e amostras em escala atômica, estudando os efeitos da interação nos fótons emaranhados. Esses fótons seriam muito mais fáceis de medir diretamente do que os elétrons – e isso poderia aumentar a sensibilidade e as capacidades de imagem da microscopia eletrônica.
De forma mais ampla, a sua abordagem poderia alargar o conjunto de ferramentas da ciência da informação quântica para incluir electrões livres – abrindo potencialmente novas possibilidades para inovações na computação e comunicações quânticas.
A pesquisa é descrita em Ciência.
