量子信息、通信和传感依赖于在互补自由度中生成和控制量子相关性。 世界各地的专家都在尝试将基础研究的成果应用到量子技术中。
有时它们需要单个粒子，包括具有特殊属性的光子。 然而，获取单个粒子具有挑战性，需要非常复杂的技术。 自由电子已经在许多应用中用于产生光，例如 X 射线管。
在一项新的研究中，来自 EPFL的光子学和量子测量实验室、哥廷根马克斯普朗克多学科科学研究所 (MPI-NAT) 和哥廷根大学展示了一种使用自由电子以对态形式产生腔光子的新方法。 他们使用电子显微镜芯片上的集成光子电路创建了电子-光子对。
在一项实验中，科学家将电子显微镜的光束通过内置集成 光子芯片. 该芯片由一个微环谐振器和光纤输出端口组成。 这种新方法使用在 EPFL 制造的光子结构，用于在 MPI-NAT 进行的透射电子显微镜 (TEM) 实验。
每当电子与环形谐振器的真空倏逝场相互作用时，就会产生光子。 电子失去a的能量量子 单光子 在此过程中同时坚持能量和动量守恒原则。 由于这种相互作用，系统发展成对状态。 科学家们通过新创建的测量技术实现了对电子能量和产生的光子的准确同时检测，揭示了潜在的电子 - 光子对状态。
除了首次在单粒子水平上观察到这一过程外，这些发现还实现了一个产生单光子或电子的新概念。 具体来说，对状态的测量启用了预示粒子源，其中检测到一个粒子表示另一个粒子的生成。 这对于量子技术中的许多应用都是必要的，并增加了其不断增长的工具集。
MPI-NAT 主任 Claus Ropers 说， “该方法在电子显微镜中开辟了令人着迷的新可能性。 在量子光学领域，纠缠光子对已经改善了成像。 通过我们的工作，现在可以用电子来探索这些概念。”
在实验中，科学家们使用生成的相关电子-光子对进行光子模式成像。 他们能够实现三个数量级的对比度增强。
EPFL 博士后、该研究的共同主要作者 Yujia Yang 博士补充道： “我们相信我们的工作通过利用 量子技术的力量设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“
EPFL 教授、光子学和量子测量实验室负责人 Tobias Kippenberg 说， “未来量子技术面临的一个特殊挑战是如何连接不同的物理系统。 我们第一次将自由电子带入了 量子信息 科学。 更广泛地说，使用集成光子耦合自由电子和光可以为新型混合量子技术开辟道路。”
该研究可能会导致目前新兴的自由电子量子光学领域。 它还可以展示一个强大的基于事件和光子门控电子光谱和成像的实验平台。
黄冠豪，博士EPFL 的学生和该研究的共同主要作者， 说过, “我们的工作代表了在电子显微镜中利用量子光学概念的关键一步。 我们计划进一步探索未来的方向，例如电子预示的奇异光子状态和电子显微镜中的降噪。”
杂志参考：
- 阿明·费斯特、黄冠豪等。 腔介导的电子-光子对。 科学, 377(6607), 777-780。 DOI： 10.1126/科学.abo5037
