Квантовая информация, коммуникация и восприятие основаны на создании и контроле квантовых корреляций в дополнительных степенях свободы. Эксперты во всем мире пытаются внедрить результаты фундаментальных исследований в квантовые технологии.
Иногда для них требуются отдельные частицы, в том числе фотоны с особыми свойствами. Однако получение отдельных частиц является сложной задачей и требует очень сложных методов. Свободные электроны уже используются во многих приложениях для производства света, например, в рентгеновских трубках.
В новом исследовании ученые из EPFLЛаборатория фотоники и квантовых измерений Геттингенского института междисциплинарных наук им. Макса Планка (MPI-NAT) и Геттингенского университета демонстрируют новый метод генерации резонаторных фотонов с использованием свободных электронов в виде парных состояний. Они создали электронно-фотонные пары, используя интегральные фотонные схемы на чипе в электронном микроскопе.
В ходе эксперимента ученые пропускают луч электронного микроскопа на встроенный интегрированный фотонный чип. Чип состоит из микрокольцевого резонатора и выходных портов оптоволокна. Этот новый подход использует фотонные структуры, изготовленные в EPFL, для экспериментов с просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ), проводимых в MPI-NAT.
Фотон может быть произведен всякий раз, когда электрон взаимодействует с затухающим вакуумным полем кольцевого резонатора. Электрон теряет квант энергии одиночный фотон в этом процессе, придерживаясь принципов сохранения энергии и импульса. В результате этого взаимодействия система переходит в парное состояние. Точное одновременное обнаружение учеными энергии электрона и произведенных фотонов, ставшее возможным благодаря недавно созданной методике измерения, выявило лежащие в основе состояния пары электрон-фотон.
Помимо наблюдения за этим процессом впервые на уровне одной частицы, эти результаты реализуют новую концепцию генерации одиночного фотона или электрона. В частности, измерение состояния пары позволяет выявить источники частиц, где обнаружение одной частицы сигнализирует о появлении другой. Это необходимо для многих приложений в квантовой технологии и дополняет ее растущий набор инструментов.
Клаус Роперс, директор MPI-NAT, сказал: «Метод открывает захватывающие новые возможности в электронной микроскопии. В области квантовой оптики запутанные пары фотонов уже улучшают визуализацию. Благодаря нашей работе такие концепции теперь можно исследовать с помощью электронов».
В эксперименте ученые использовали сгенерированные коррелированные электронно-фотонные пары для визуализации в фотонном режиме. Им удалось добиться повышения контрастности на три порядка.
Доктор Юцзя Ян, постдоктор в EPFL и соавтор исследования, добавляет: «Мы считаем, что наша работа окажет существенное влияние на будущее развитие электронной микроскопии, используя мощь квантовых технологий".
Тобиас Киппенберг, профессор EPFL и руководитель лаборатории фотоники и квантовых измерений, сказал: «Особая проблема для будущих квантовых технологий заключается в том, как взаимодействовать с различными физическими системами. Впервые мы вносим свободные электроны в набор инструментов квантовая информация наука. В более широком смысле соединение свободных электронов и света с помощью интегрированной фотоники может открыть путь к новому классу гибридных квантовых технологий».
Это исследование может привести к развивающейся в настоящее время области квантовой оптики свободных электронов. Он также может продемонстрировать мощную экспериментальную платформу для событийной и фотонно-зависимой электронной спектроскопии и визуализации.
Гуаньхао Хуанг, доктор философии. студент EPFL и соавтор исследования, — сказал, «Наша работа представляет собой важный шаг к использованию концепций квантовой оптики в электронной микроскопии. Мы планируем исследовать дальнейшие будущие направления, такие как экзотические фотонные состояния, объявленные электронами, и снижение шума в электронной микроскопии».
Справочник журнала:
- Армин Файст, Гуанхао Хуан и др. Электронно-фотонные пары, опосредованные полостями. Наука, 377(6607), 777-780. ДОИ: 10.1126/наука.abo5037
