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研究人员已经成功地在电子显微镜中以可控的方式创建了电子-光子对。
图：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。
资料来源：Armin Feist / Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences
哥廷根（德国）和洛桑（瑞士）的研究人员首次在电子显微镜中以可控的方式成功地创建了电子-光子对。使用新的方法，他们可以精确地检测相关粒子。这项研究的结果扩展了量子技术的工具箱。
更快的计算机、防窃听通信、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一样。全世界的专家都在努力实现量子技术基础研究的应用。为此，它们通常需要单个粒子，例如光子——光的基本粒子——具有特定的特性。然而，获得单个粒子是复杂的，需要十分复杂的方法。在最近发表在《Science》研究中，研究人员提出了一种新方法，可以同时生成两个成对的单个粒子。
相关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器和一个环形谐振器组成，该谐振器通过将移动的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，就会产生光子，”MPI的科学家、该研究的第一作者之一Armin Feist解释道。“在这个过程中，电子损失的能量正好是光子在谐振器中几乎从零产生所需的能量。因此，两个粒子通过相互作用而耦合并形成一对。”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表现。
关于自由电子的未来量子技术
“利用电子-光子对，我们只需要测量一个粒子，就可以获得关于第二个粒子的能量含量和时间外观的信息，” Germaine Arend强调。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，这就是所谓的预兆方案。这种特性对于量子技术中的许多应用是必要的。
Claus Ropers将电子-光子对视为量子研究的一个新机会：“该方法为电子显微术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，这些概念现在可以用电子来探索。” Tobias Kippenberg补充道，“我们首次将自由电子纳入量子信息科学的工具箱。更广泛地说，利用集成光子学将自由电子与光耦合，可能为一类新的混合量子技术开辟道路。”
[1] Armin Feist, Guanhao Huang, Germaine Arend, Yujia Yang, Jan-Wilke Henke, Arslan Sajid Raja, F. Jasmin Kappert, Rui Ning Wang, Hugo Lourenço-Martins, Zheru Qiu, Junqiu Liu, Ofer Kfir, Tobias J. Kippenberg, Claus Ropers. Cavity-mediated electron-photon pairs. Science, 2022; 377 (6607): 777 DOI: 10.1126/science.abo5037
