新的量子技术结合了自由电子和光子

一种具有环形光存储的光学芯片，称为微环谐振器和光纤耦合。芯片只有三毫米宽，其尖端的环形谐振器半径为0.114毫米。图片来源：Armin Feist / Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences

更快的计算机，防窃听的通信，更好的汽车传感器 - 量子技术有可能彻底改变我们的生活，就像计算机或互联网的发明曾经做过的那样。世界各地的专家正试图将基础研究的结果转化为量子技术。为此，它们通常需要具有定制属性的单个粒子，例如光子 - 光的基本粒子。

然而，获得单个颗粒是复杂的，需要复杂的方法。在最近发表在《科学》杂志上的一项研究中，研究人员现在提出了一种新方法，可以同时生成两个粒子对的形式。

电子显微镜中的基础量子物理学

来自哥廷根马克斯普朗克多学科科学研究所（MPI），哥廷根大学和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的国际团队成功地在电子显微镜中耦合了单个自由电子和光子。在哥廷根实验中，来自电子显微镜的光束穿过由瑞士团队制造的集成光学芯片。该芯片由一个光纤耦合和一个环形谐振器组成，该谐振器通过将移动光子保持在圆形路径上来存储光。

“当电子在最初空的谐振器处散射时，会产生光子，”MPI的科学家，该研究的第一批作者之一Armin Feist解释说。“在这个过程中，电子损失的能量恰好是光子从谐振器中的无到有创造所需的能量。结果，这两个粒子通过它们的相互作用耦合并形成一对。通过改进的测量方法，物理学家可以精确地检测所涉及的单个粒子及其同时表现。

自由电子的未来量子技术

“使用电子 - 光子对，我们只需要测量一个粒子来获取有关第二个粒子的能量含量和时间外观的信息，”MPI的博士候选人，也是该研究的第一作者Germaine Arend说。这允许研究人员在实验中使用一个量子粒子，同时通过检测另一个粒子来确认它的存在，这是所谓的预示方案。这样的功能对于量子技术中的许多应用都是必要的。

Max Planck主任Claus Ropers认为电子 - 光子对是量子研究的新机会。“该方法为电子显微镜开辟了迷人的新可能性。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，“Roper说。

EPFL教授Tobias Kippenberg补充说：“我们首次将自由电子带入量子信息科学的工具箱。更广泛地说，使用集成光子学耦合自由电子和光可以为一类新的混合量子技术开辟道路。

更多信息：Armin Feist等人，腔体介导的电子 - 光子对，科学（2022）。DOI： 10.1126/science.abo5037

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