Квантового зчеплення вільного електрона з фотоном досягли дослідники з Німеччини та Швейцарії. Колектив, очолюваний в Армін Файст в Інституті мультидисциплінарних наук Макса Планка досягнув успіху, використовуючи нову експериментальну установку, яка поєднує в собі елементи фотоніки та електронної мікроскопії.
Заплутаність у квантовій механіці виникає, коли дві або більше частинок описуються одним квантовим станом, що дає частинкам набагато більш тісний зв’язок, ніж допускає класична фізика.
У галузі квантових технологій, що швидко розвивається, здатність встановити зв’язок між частинками часто є вирішальною. Одним із особливо важливих застосувань заплутаності є «провісник», за допомогою якого виявлення однієї частинки в заплутаній парі вказує на те, що інша частинка доступна для використання в квантовій схемі.
Гібридні пари
Заплутані частинки не обов’язково повинні бути ідентичними, і з’являється новий клас гібридних квантових технологій, які покладаються на заплутані пари різних частинок – наприклад, фотонів і електронів. Однак розробка практичних способів сплутування гібридних пар залишається проблемою.
Фейст і його колеги вирішили цю проблему, створивши нову експериментальну установку, яка містить кільцеподібний оптичний мікрорезонатор, розміщений на фотонному чіпі. Використовуючи електронний мікроскоп, дослідники також створили пучок високоенергетичних електронів, який проходить по дотичній до кільця. Проходячи крізь кільце, електрони взаємодіють із гасаючим полем мікрорезонатора. Це призводить до створення фотонів усередині кільця. Важливо те, що кожен із цих нових фотонів заплутується з електроном у пучку. Потім ці фотони вилучаються з кільця за допомогою оптичного волокна.
Щоб перевірити свою установку, команда Файста зібрала електрони та відповідні їм фотони в окремі детектори, а потім виміряла збіг між їхніми квантовими станами. Як вони сподівалися, детектор підтвердив, що електрон-фотонні пари переплуталися в процесі взаємодії.
Метод дистиляції посилює квантову заплутаність в одній парі фотонів
Команда сподівається, що їхня техніка може надихнути на інновації в електронній мікроскопії. Завдяки вісникам це може дозволити дослідникам досліджувати взаємодію між електронними променями та зразками атомного масштабу, вивчаючи вплив взаємодії на заплутані фотони. Ці фотони було б набагато легше виміряти безпосередньо, ніж електрони, і це могло б підвищити чутливість і можливості електронної мікроскопії для отримання зображень.
У більш широкому плані їхній підхід міг би розширити набір інструментів квантової інформаційної науки, включивши в нього вільні електрони, що потенційно відкриває нові можливості для інновацій у квантових обчисленнях і комунікації.
Дослідження описано в наука.
