Kvantintrasslingen av en fri elektron med en foton har uppnåtts av forskare i Tyskland och Schweiz. Teamet, ledd av Armin Feist vid Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences, uppnådde bedriften med en ny experimentell uppställning, som kombinerar element av fotonik och elektronmikroskopi.
Intrassling i kvantmekaniken uppstår när två eller flera partiklar beskrivs av ett enda kvanttillstånd - vilket ger partiklarna ett mycket närmare förhållande än vad klassisk fysik tillåter.
Inom det snabbt växande området kvantteknologi är förmågan att etablera intrassling mellan partiklar ofta avgörande. En särskilt viktig tillämpning av intrassling är "förvarning" där detekteringen av en partikel i ett intrasslat par indikerar att den andra partikeln är tillgänglig för användning i en kvantkrets.
Hybridpar
Intrasslade partiklar behöver inte vara identiska, och en ny klass av hybridkvantteknologier växer fram som förlitar sig på de intrasslade paren av olika partiklar – fotoner och elektroner, till exempel. Men att utveckla praktiska sätt att trassla in hybridpar är fortfarande en utmaning.
Feist och kollegor har åtgärdat detta problem genom att skapa en ny experimentell uppsättning som har en ringformad optisk mikroresonator som placeras på ett fotoniskt chip. Med hjälp av ett elektronmikroskop skapade forskarna också en stråle av högenergielektroner, som passerar tangentiellt till ringen. När de passerar ringen interagerar elektronerna med mikroresonatorns evanescenta fält. Detta resulterar i skapandet av fotoner i ringen. Avgörande är att var och en av dessa nya fotoner är intrasslad med en elektron i strålen. Dessa fotoner extraheras sedan från ringen med hjälp av en optisk fiber.
För att testa sin uppställning samlade Feists team elektronerna och deras motsvarande fotoner i separata detektorer och mätte sedan sammanträffandet mellan deras kvanttillstånd. Som de hoppades bekräftade detektorn att elektron-fotonparen hade trasslat in sig under interaktionsprocessen.
Destillationsmetoden stärker kvantintrassling i ett enda par fotoner
Teamet hoppas att deras teknik kan inspirera innovationer inom elektronmikroskopi. Genom häralding skulle det kunna tillåta forskare att undersöka interaktionen mellan elektronstrålar och atomiska prover genom att studera effekterna av interaktionen på de intrasslade fotonerna. Dessa fotoner skulle vara mycket lättare att mäta direkt än elektronerna – och detta skulle kunna förbättra elektronmikroskopins känslighet och avbildningsförmåga.
Mer allmänt kan deras tillvägagångssätt utöka kvantinformationsvetenskapens verktygslåda till att inkludera fria elektroner – vilket potentiellt öppnar nya möjligheter för innovationer inom kvantberäkning och kommunikation.
Forskningen beskrivs i Vetenskap.
