Более быстрые компьютеры, защищенная от прослушивания связь, улучшенные автомобильные датчики - квантовые технологии обладают потенциалом революционизировать нашу жизнь так же, как когда-то изобретение компьютеров или Интернета. Эксперты по всему миру пытаются внедрить результаты фундаментальных исследований в квантовые технологии. С этой целью им часто требуются отдельные частицы, такие как фотоны - элементарные частицы света - с заданными свойствами. Однако получение отдельных частиц является сложным и требует сложных методов. В исследовании, недавно опубликованном в журнале Наука Исследователи теперь представляют новый метод, который одновременно генерирует две отдельные частицы в виде пары.

Международной команде из Геттингенского института Макса Планка (MPI) по междисциплинарным наукам, Геттингенского университета и Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (EPFL) удалось соединить одиночные свободные электроны и фотоны в электронном микроскопе. В Геттингенском эксперименте луч от электронного микроскопа проходит через встроенный оптический чип, изготовленный швейцарской командой. Чип состоит из волоконно-оптического соединения и кольцеобразного резонатора, который накапливает свет, удерживая движущиеся фотоны на круговой траектории. "Когда электрон рассеивается в изначально пустом резонаторе, генерируется фотон", - объясняет Армин Файст, ученый из MPI и один из первых авторов исследования. "В процессе электрон теряет ровно столько энергии, сколько требуется фотону для создания практически из ничего в резонаторе. В результате две частицы соединяются посредством своего взаимодействия и образуют пару." Благодаря усовершенствованному методу измерения физики смогли точно обнаружить отдельные вовлеченные частицы и их одновременное проявление.

Будущая квантовая технология со свободными электронами

"С помощью пары электрон-фотон нам нужно измерить только одну частицу, чтобы получить информацию об энергетическом содержании и временном появлении второй частицы", - подчеркивает Жермен Аренд, кандидат наук в MPI, а также первый автор исследования. Это позволяет исследователям использовать одну квантовую частицу в эксперименте и в то же время подтверждать ее присутствие путем обнаружения другой частицы в так называемой схеме оповещения. Такая функция необходима для многих применений в квантовой технологии.

Директор института Макса Планка Клаус Роперс рассматривает электронно-фотонные пары как новую возможность для квантовых исследований: "Этот метод открывает новые захватывающие возможности в электронной микроскопии. В области квантовой оптики запутанные пары фотонов уже улучшают визуализацию. Благодаря нашей работе такие концепции теперь можно исследовать с помощью электронов". Тобиас Киппенберг, профессор EPFL, добавляет: "Впервые мы вводим свободные электроны в инструментарий квантовой информатики. В более широком смысле соединение свободных электронов и света с использованием интегрированной фотоники может открыть путь к новому классу гибридных квантовых технологий".