结合自由电子和光子的量子新技术

更快的计算机、防窃听通信、更好的汽车传感器……量子技术正在而且还将会彻底改变我们的生活，就像计算机、互联网的发明一样。世界各地的专家都在尝试将量子物理基础研究的成果应用到量子技术中。要达到这一量子技术的目标，最基本的是通常需要定制具有量子特性的单个粒子，例如光子——光的基本粒子。

然而，获得单个粒子相当复杂，需要相当错综复杂的方法。发表在最近《科学》杂志上的一项研究中，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。

具有环形光存储的光学芯片，称为微环谐振器和光纤耦合。该芯片只有3毫米宽，其尖端的环形谐振器的半径为0.114毫米。

电子显微镜下的量子物理基础

该研究认为，电子束与空腔和共振结构的相互作用代表了产生电磁辐射的通用方案。该研究开发出的结构具有自由电子与基于光子芯片的微谐振器的真空腔场之间的相位匹配相互作用。当电子通过谐振器附近时，它们与真空场之间的耦合导致腔内自发产生光子。由于电子-光子对是相关的，它们应该是开发自由电子量子光学器件的有用来源，可提供增强的成像和传感能力。

来自哥廷根的马克斯·普朗克多学科科学研究所领导地这一的国际团队，成功地在电子显微镜中耦合了单个自由电子和光子。在该实验中，来自电子显微镜的光束穿过由研究团队所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。

马克斯普朗克多学科科学研究所科学家、该研究第一作者之一、阿明·费斯特（Armin Feist）解释说。“当一个电子在最初空的谐振器上散射时，就会产生一个光子，”“在这个过程中，电子失去了光子所需的能量，实际上光子需要从谐振器中的虚无中产生。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到所涉及的单个粒子及其同时表现。

有自由电子的未来量子技术

研究人员表示说：“使用电子-光子对，我们只需要测量一个粒子即可获得有关第二个粒子的能量含量和时间外观的信息，这使得研究人员可以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，即所谓的预告方案（heralding scheme）。对于量子技术中的许多应用来说，这样的特性是必要的。”

马克斯·普朗克研究所主任、克劳斯·罗珀斯（Claus Ropers）认为，这样的电子-光子对将是量子研究未来的新机遇。他表示说，“这种方法为电子显微镜开辟了令人着迷的新可能性。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，现在可以用电子探索这些概念”。

研究论文作者之一、瑞士洛桑联邦理工学院教授Tobias Kippenberg补充说：“我们第一次将自由电子带入了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新型混合量子技术开辟道路。”

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