Thông tin, liên lạc và cảm biến lượng tử dựa vào việc tạo ra và kiểm soát các mối tương quan lượng tử ở các bậc tự do bổ sung cho nhau. Các chuyên gia trên toàn thế giới đang cố gắng áp dụng những phát hiện từ nghiên cứu cơ bản vào công nghệ lượng tử.
Đôi khi chúng yêu cầu các hạt riêng lẻ, bao gồm các photon có tính chất đặc biệt. Tuy nhiên, việc thu thập các hạt riêng lẻ là một thách thức và đòi hỏi các kỹ thuật rất phức tạp. Các điện tử tự do đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng để tạo ra ánh sáng, chẳng hạn như ống tia X.
Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học từ EPFLcủa Phòng thí nghiệm Quang tử và Đo lượng tử, Viện Khoa học Đa ngành Göttingen Max Planck (MPI-NAT) và Đại học Göttingen trình diễn một phương pháp mới để tạo ra các photon khoang sử dụng các electron tự do, ở dạng trạng thái cặp. Họ đã tạo ra các cặp electron-photon bằng cách sử dụng các mạch quang tử tích hợp trên một con chip trong kính hiển vi điện tử.
Trong một thí nghiệm, các nhà khoa học truyền chùm tia của kính hiển vi điện tử lên một kính hiển vi tích hợp sẵn. chip quang tử. Con chip này bao gồm một bộ cộng hưởng vi vòng và các cổng đầu ra sợi quang. Phương pháp mới này sử dụng các cấu trúc quang tử được chế tạo tại EPFL cho các thí nghiệm kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được thực hiện tại MPI-NAT.
Một photon có thể được tạo ra bất cứ khi nào một electron tương tác với trường biến thiên chân không của bộ cộng hưởng vòng. Electron mất đi lượng tử năng lượng của một photon đơn lẻ trong quá trình này đồng thời tuân thủ các nguyên tắc bảo toàn năng lượng và động lượng. Hệ thống phát triển thành trạng thái cặp do sự tương tác này. Khả năng phát hiện chính xác đồng thời năng lượng electron và photon được tạo ra của các nhà khoa học, được thực hiện nhờ một kỹ thuật đo lường mới được tạo ra, đã tiết lộ các trạng thái cặp electron-photon cơ bản.
Bên cạnh việc quan sát quá trình này lần đầu tiên ở cấp độ hạt đơn lẻ, những phát hiện này thực hiện một khái niệm mới để tạo ra một photon hoặc electron đơn lẻ. Cụ thể, phép đo trạng thái cặp cho phép các nguồn hạt được báo trước, trong đó việc phát hiện một hạt báo hiệu sự tạo ra hạt kia. Điều này cần thiết cho nhiều ứng dụng trong công nghệ lượng tử và bổ sung vào bộ công cụ đang phát triển của nó.
Claus Ropers, Giám đốc MPI-NAT, cho biết, “Phương pháp này mở ra những khả năng mới hấp dẫn trong kính hiển vi điện tử. Trong lĩnh vực quang học lượng tử, các cặp photon vướng víu đã cải thiện khả năng chụp ảnh. Với công việc của chúng tôi, những khái niệm như vậy giờ đây có thể được khám phá bằng các điện tử.”
Trong thí nghiệm, các nhà khoa học đã sử dụng các cặp electron-photon tương quan được tạo ra để chụp ảnh chế độ quang tử. Họ đã có thể đạt được mức tăng cường độ tương phản ba bậc.
Tiến sĩ Yujia Yang, một postdoc tại EPFL và là đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết thêm: “Chúng tôi tin rằng công việc của chúng tôi có tác động đáng kể đến sự phát triển trong tương lai của kính hiển vi điện tử bằng cách khai thác sức mạnh của công nghệ lượng tử".
Tobias Kippenberg, giáo sư tại EPFL và là người đứng đầu Phòng thí nghiệm đo lượng tử và lượng tử, cho biết: “Một thách thức đặc biệt đối với công nghệ lượng tử trong tương lai là làm thế nào để giao tiếp với các hệ thống vật lý khác nhau. Lần đầu tiên, chúng tôi mang các điện tử tự do vào hộp công cụ của thông tin lượng tử khoa học. Nói rộng hơn, việc kết hợp các electron tự do và ánh sáng bằng cách sử dụng quang tử tích hợp có thể mở đường cho một loại công nghệ lượng tử lai mới.”
Nghiên cứu này có thể dẫn đến lĩnh vực quang học lượng tử electron tự do đang nổi lên hiện nay. Nó cũng có thể chứng minh một nền tảng thử nghiệm mạnh mẽ cho quang phổ và hình ảnh điện tử dựa trên sự kiện và quang phổ.
Guanhao Huang, bằng tiến sĩ. sinh viên tại EPFL và đồng tác giả chính của nghiên cứu, nói, “Công trình của chúng tôi đại diện cho một bước quan trọng để sử dụng các khái niệm quang học lượng tử trong kính hiển vi điện tử. Chúng tôi dự định khám phá các hướng tiếp theo trong tương lai như trạng thái quang tử kỳ lạ được báo trước bằng điện tử và giảm nhiễu trong kính hiển vi điện tử.”
Tạp chí tham khảo:
- Armin Feist, Guanhao Huang, et al. Các cặp electron-photon qua trung gian khoang. Khoa học, 377(6607), 777-780. DOI: 10.1126 / science.abo5037
