Kuantum bilgisi, iletişim ve algılama, tamamlayıcı serbestlik derecelerinde kuantum korelasyonlarının üretilmesine ve kontrol edilmesine dayanır. Dünya çapındaki uzmanlar, temel araştırmalardan elde edilen bulguları kuantum teknolojilerine uygulamaya çalışıyor.
Bazen özel özelliklere sahip fotonlar da dahil olmak üzere bireysel parçacıklara ihtiyaç duyulur. Ancak tek tek parçacıkların elde edilmesi zorlayıcıdır ve çok karmaşık teknikler gerektirir. Serbest elektronlar, X-ışını tüpleri gibi ışık üretmek için birçok uygulamada zaten kullanılmaktadır.
Yeni bir çalışmada, bilim adamları EPFL'nin Fotonik ve Kuantum Ölçümü Laboratuvarı, Göttingen Max Planck Multidisipliner Bilimler Enstitüsü (MPI-NAT) ve Göttingen Üniversitesi, çift durumlar biçiminde serbest elektronlar kullanarak boşluk fotonları üretmek için yeni bir yöntem gösteriyor. Elektron mikroskobundaki bir çip üzerindeki entegre fotonik devreleri kullanarak elektron-foton çiftleri oluşturdular.
Bir deneyde, bilim insanları elektron mikroskobunun ışınını yerleşik bir entegre fotonik çip. Çip, bir mikro halka rezonatöründen ve fiber optik çıkış bağlantı noktalarından oluşur. Bu yeni yaklaşım, MPI-NAT'ta gerçekleştirilen transmisyon elektron mikroskobu (TEM) deneyleri için EPFL'de üretilen fotonik yapıları kullanıyor.
Bir elektron halka rezonatörünün vakumlu fani alanıyla etkileşime girdiğinde bir foton üretilebilir. Elektron enerji kuantumunu kaybeder. tek foton Bu süreçte enerji ve momentum korunumu ilkelerine bağlı kalarak. Bu etkileşim sonucunda sistem çift duruma geçer. Bilim adamlarının, yeni oluşturulan bir ölçüm tekniği sayesinde elektron enerjisinin ve üretilen fotonların eş zamanlı ve doğru şekilde tespit edilmesi, altta yatan elektron-foton çifti durumlarını ortaya çıkardı.
Bu bulgular, bu süreci ilk kez tek parçacık düzeyinde gözlemlemenin yanı sıra, tek foton veya elektron üretmek için yeni bir konsepti hayata geçiriyor. Spesifik olarak, çift durumunun ölçümü, bir parçacığın tespit edilmesinin diğerinin oluşumuna işaret ettiği müjdeli parçacık kaynaklarını mümkün kılar. Bu, kuantum teknolojisindeki birçok uygulama için gereklidir ve büyüyen araç setine katkıda bulunur.
MPI-NAT Direktörü Claus Ropers şunları söyledi: "Yöntem elektron mikroskobunda büyüleyici yeni olasılıkların önünü açıyor. Kuantum optik alanında, dolaşmış foton çiftleri görüntülemeyi zaten geliştirmektedir. Çalışmamızla bu tür kavramlar artık elektronlarla keşfedilebiliyor.”
Deneyde bilim insanları, fotonik mod görüntüleme için üretilen ilişkili elektron-foton çiftlerini kullandılar. Üç mertebelik bir kontrast artışı elde etmeyi başardılar.
EPFL'de doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın ortak yazarlarından Dr. Yujia Yang şunu ekliyor: "Çalışmamızın elektron mikroskobunun gelecekteki gelişimi üzerinde önemli bir etkisi olduğuna inanıyoruz. kuantum teknolojisinin gücü".
EPFL profesörü ve Fotonik ve Kuantum Ölçüm Laboratuvarı başkanı Tobias Kippenberg şunları söyledi: "Geleceğin kuantum teknolojisi için özel bir zorluk, farklı fiziksel sistemlerin nasıl arayüzleneceğidir. İlk kez serbest elektronları alet kutusuna getiriyoruz. kuantum bilgisi bilim. Daha genel anlamda, entegre fotonik kullanarak serbest elektronları ve ışığı birleştirmek, yeni bir hibrit kuantum teknolojileri sınıfının yolunu açabilir."
Çalışma, şu anda ortaya çıkmakta olan serbest elektron kuantum optiği alanına yol açabilir. Aynı zamanda olaya dayalı ve foton kapılı elektron spektroskopisi ve görüntüleme için güçlü bir deneysel platform da gösterebilir.
Guanhao Huang, Ph.D. EPFL öğrencisi ve çalışmanın ortak başyazarı, şuraya, "Çalışmamız elektron mikroskobunda kuantum optik kavramlarını kullanmak için kritik bir adımı temsil ediyor. Elektronların müjdelediği egzotik fotonik durumlar ve elektron mikroskobunda gürültünün azaltılması gibi gelecekteki yönleri keşfetmeyi planlıyoruz."
Dergi Referans:
- Armin Feist, Guanhao Huang ve diğerleri. Boşluk aracılı elektron-foton çiftleri. Bilim, 377(6607), 777-780. DOI: 10.1126/bilim.abo5037
