更快的計算機、防竊聽通信、更好的汽車傳感器……量子技術(shù)正在而且還將會徹底改變我們的生活，就像計算機、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明一樣。世界各地的專家都在嘗試將量子物理基礎(chǔ)研究的成果應(yīng)用到量子技術(shù)中。要達到這一量子技術(shù)的目標(biāo)，最基本的是通常需要定制具有量子特性的單個粒子，例如光子——光的基本粒子。

然而，獲得單個粒子相當(dāng)復(fù)雜，需要相當(dāng)錯綜復(fù)雜的方法。發(fā)表在最近《科學(xué)》雜志上的一項研究中，研究人員提出了一種新方法，可以同時生成兩個成對的單個粒子。

具有環(huán)形光存儲的光學(xué)芯片，稱為微環(huán)諧振器和光纖耦合。該芯片只有3毫米寬，其尖端的環(huán)形諧振器的半徑為0.114毫米。

電子顯微鏡下的量子物理基礎(chǔ)

該研究認(rèn)為，電子束與空腔和共振結(jié)構(gòu)的相互作用代表了產(chǎn)生電磁輻射的通用方案。該研究開發(fā)出的結(jié)構(gòu)具有自由電子與基于光子芯片的微諧振器的真空腔場之間的相位匹配相互作用。當(dāng)電子通過諧振器附近時，它們與真空場之間的耦合導(dǎo)致腔內(nèi)自發(fā)產(chǎn)生光子。由于電子-光子對是相關(guān)的，它們應(yīng)該是開發(fā)自由電子量子光學(xué)器件的有用來源，可提供增強的成像和傳感能力。

來自哥廷根的馬克斯·普朗克多學(xué)科科學(xué)研究所領(lǐng)導(dǎo)地這一的國際團隊，成功地在電子顯微鏡中耦合了單個自由電子和光子。在該實驗中，來自電子顯微鏡的光束穿過由研究團隊所制造的集成光學(xué)芯片。該芯片由一個光纖耦合器和一個環(huán)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。

馬克斯普朗克多學(xué)科科學(xué)研究所科學(xué)家、該研究第一作者之一、阿明·費斯特（Armin Feist）解釋說�！爱�(dāng)一個電子在最初空的諧振器上散射時，就會產(chǎn)生一個光子，”“在這個過程中，電子失去了光子所需的能量，實際上光子需要從諧振器中的虛無中產(chǎn)生。結(jié)果，這兩個粒子通過它們的相互作用耦合并形成一對�！� 通過改進的測量方法，物理學(xué)家可以精確地檢測到所涉及的單個粒子及其同時表現(xiàn)。

有自由電子的未來量子技術(shù)

研究人員表示說：“使用電子-光子對，我們只需要測量一個粒子即可獲得有關(guān)第二個粒子的能量含量和時間外觀的信息，這使得研究人員可以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(rèn)它的存在，即所謂的預(yù)告方案（heralding scheme）。對于量子技術(shù)中的許多應(yīng)用來說，這樣的特性是必要的�！�

馬克斯·普朗克研究所主任、克勞斯·羅珀斯（Claus Ropers）認(rèn)為，這樣的電子-光子對將是量子研究未來的新機遇。他表示說，“這種方法為電子顯微鏡開辟了令人著迷的新可能性。在量子光學(xué)領(lǐng)域，糾纏光子對已經(jīng)改善了成像。通過我們的工作，現(xiàn)在可以用電子探索這些概念”。

研究論文作者之一、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院教授Tobias Kippenberg補充說：“我們第一次將自由電子帶入了量子信息科學(xué)的工具箱。更廣泛地說，使用集成光子學(xué)耦合自由電子和光可以為新型混合量子技術(shù)開辟道路�！�

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