Квантовая запутанность свободного электрона с фотоном была достигнута исследователями в Германии и Швейцарии. Команда под руководством Армин Файст в Институте междисциплинарных наук им. Макса Планка совершил подвиг, используя новую экспериментальную установку, которая сочетает в себе элементы фотоники и электронной микроскопии.
Запутанность в квантовой механике возникает, когда две или более частиц описываются одним квантовым состоянием, что дает частицам гораздо более тесную связь, чем это допускает классическая физика.
В быстро развивающейся области квантовых технологий способность устанавливать запутанность между частицами часто имеет решающее значение. Одним из особенно важных применений запутанности является «предвестник», когда обнаружение одной частицы в запутанной паре указывает на то, что другая частица доступна для использования в квантовой схеме.
Гибридные пары
Запутанные частицы не обязательно должны быть идентичными, и появляется новый класс гибридных квантовых технологий, основанных на запутанных парах разных частиц — например, фотонов и электронов. Однако разработка практических способов запутывания гибридных пар остается сложной задачей.
Файст и его коллеги решили эту проблему, создав новую экспериментальную установку с кольцевым оптическим микрорезонатором, помещенным на фотонный чип. Используя электронный микроскоп, исследователи также создали пучок высокоэнергетических электронов, который проходит по касательной к кольцу. Проходя кольцо, электроны взаимодействуют с затухающим полем микрорезонатора. Это приводит к созданию фотонов внутри кольца. Важно отметить, что каждый из этих новых фотонов запутан с электроном в луче. Затем эти фотоны извлекаются из кольца с помощью оптического волокна.
Чтобы проверить свою установку, команда Файста собрала электроны и соответствующие им фотоны в отдельных детекторах, а затем измерила совпадение между их квантовыми состояниями. Как они и надеялись, детектор подтвердил, что пары электрон-фотон запутались в процессе взаимодействия.
Метод дистилляции усиливает квантовую запутанность в одной паре фотонов
Команда надеется, что их метод может вдохновить на инновации в электронной микроскопии. Это может позволить исследователям исследовать взаимодействие между электронными лучами и образцами атомного масштаба, изучая влияние взаимодействия на запутанные фотоны. Эти фотоны было бы гораздо легче измерить напрямую, чем электроны, и это могло бы повысить чувствительность и возможности визуализации электронной микроскопии.
В более широком смысле их подход может расширить набор инструментов квантовой информатики, включив в него свободные электроны, что потенциально откроет новые возможности для инноваций в квантовых вычислениях и коммуникациях.
Исследование описано в Наука.
