Більш швидкі комп’ютери, захищений від прослуховування зв’язок, покращені автомобільні датчики — квантові технології здатні зробити революцію в нашому житті так само як колись винахід комп’ютерів чи інтернету. Фахівці з усього світу намагаються впровадити результати фундаментальних досліджень у квантові технології. Для цього їм часто потрібні окремі частинки, такі як фотони — елементарні частинки світла — з особливими властивостями.
Однак отримання окремих частинок є складним завданням та потребує складних методів. У дослідженні, нещодавно опублікованому у журналі Science, вчені представили новий метод, який одночасно генерує дві окремі частинки у вигляді пари.
Фундаментальна квантова фізика в електронних мікроскопах
Міжнародній команді вдалося поєднати одинарні вільні електрони та фотони в електронному мікроскопі. В експерименті промінь з електронного мікроскопа проходить через інтегрований оптичний чіп. Чіп складається з волоконно-оптичного з’єднання та кільцеподібного резонатора, який накопичує світло, утримуючи рухомі фотони на круговій траєкторії.
“Коли електрон розсіюється у початково порожньому резонаторі, генерується фотон”, — пояснює Армін Файст, вчений з Геттінгенського інституту Макса Планка (MPI) та один з перших авторів дослідження. “У цьому процесі електрон втрачає рівно стільки енергії, скільки потрібно фотону, щоб виникнути в резонаторі практично з нічого. У результаті дві частинки з’єднуються внаслідок їхньої взаємодії та утворюють пару”. За допомогою вдосконаленого методу вимірювання фізики змогли точно визначити окремі частинки, що беруть участь у процесі, та їх одночасний прояв.
Майбутня квантова технологія з вільними електронами
“Електрон-фотонною парою нам лише потрібно виміряти одну частинку, щоб отримати інформацію про енергетичний зміст та часову появу другої”, — каже Жермен Аренд, кандидат наук у MPI та перший автор дослідження. Це дозволяє дослідникам використовувати одну квантову частку в експерименті та водночас підтверджувати її присутність шляхом виявлення іншої частинки, у так званій схемі провісника. Така можливість необхідна для багатьох застосувань у квантових технологіях.
Директор MPI Клаус Роперс вважає електронно-фотонні пари новою нагодою для квантових досліджень. “Цей метод відкриває нові захопливі можливості в електронній мікроскопії. В області квантової оптики заплутані пари фотонів вже покращують візуалізацію. Завдяки нашій роботі подібні концепції тепер можна дослідити за допомогою електронів”, — каже Роперс.
Тобіас Кіппенберг, професор Швейцарського федерального технологічного інституту в Лозанні, додає: “Вперше ми вводимо вільні електрони в інструментарій квантової інформаційної науки. У ширшому сенсі з’єднання вільних електронів і світла за допомогою інтегрованої фотоніки може відкрити шлях до нового класу гібридних квантових технологій”.
