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將自由電子納入“量子信息科學工具箱”,電子顯微鏡下首次成功創建電子—光子對

2022-08-22 01:00:00 來源: 科技日報 作者: 張夢然

科技日報記者 張夢然

    來自德國和瑞士的一個研究團隊首次在電子顯微鏡中以可控方式成功創建了電子—光子對。這一發表在《科學》雜志上的新方法,可同時生成兩個成對的粒子,且能夠精確地檢測到所涉及的粒子。該研究結果擴展了量子技術的工具箱。

耦合電子—光子對的產生示意圖。一束自由電子(黃色)穿過環形諧振器(黑色),產生單個光子。這產生了一個在能量含量和時間發生方面具有密切相關特性的耦合電子—光子對。

圖片來源:瑞恩·艾倫/第二灣工作室

    世界各地的科學家都在嘗試將基礎研究的成果應用到量子技術中。為此,通常需要具有定制特性的單個粒子。

  德國馬克斯普朗克研究所(MPI)、哥廷根大學和瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)的國際團隊成功地在電子顯微鏡中耦合單個自由電子和光子。在哥廷根大學的實驗中,來自電子顯微鏡的光束穿過由瑞士團隊制造的集成光學芯片。該芯片由一個光纖耦合器和一個環形諧振器組成,該諧振器通過將移動的光子保持在圓形路徑上來存儲光。

  MPI科學家阿明·菲斯特解釋說,當一個電子在最初的空諧振器上散射時,就會產生一個光子。在這個過程中,電子損失的能量正好是光子在諧振器中從無到有創造出來所需的能量。結果,這兩個粒子通過它們的相互作用耦合成一對。通過改進測量方法,物理學家可精確地檢測所涉及的單個粒子及其表現。

  研究人員強調,使用電子—光子對,只需要測量一個粒子即可獲得有關第二個粒子的能量和時間的信息,這使得研究人員可在實驗中使用一個量子粒子,同時通過檢測另一個粒子來確認它的存在。這對于量子技術的許多應用來說都十分必要。

  研究人員將電子—光子對視為量子研究的新機遇。該方法為電子顯微鏡開辟了吸引人的新用途。在量子光學領域,糾纏光子對已經改善了成像。通過該項工作,可用電子來探索這些概念。研究人員稱,這是第一次將自由電子納入了量子信息科學的工具箱。更廣泛地說,使用集成光子耦合自由電子和光,可為新型混合量子技術開辟道路。

責任編輯: 常麗君
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