新しい量子技術､自由電子とフォトンを統合

September, 8, 2022, Lausanne--EPFL､マックスプランク学際的科学研究所(MPI-NAT)､ゲッチンゲン大学（University of Göttingen）の研究者は､チップ上に集積されたフォトニック回路を使って､制御的な方法で電子-フォトンペアの実現に初めて成功した｡新技術を使い研究チームは､関連する粒子を正確に検出することができた｡研究の成果は､量子技術のツールボックスを拡大する｡

より高速のコンピュータ､盗聴不能通信､標準量子限界を超えるセンサ､量子技術は､コンピュータ､インターネットの発明のように､われわれの日常生活を変革する可能性を持つ｡世界中の専門家が､基礎研究の成果を量子技術に実装しようとしている｡

この目的のために研究者は､個々の粒子､特別の特徴を備えたフォトンを必要とする｡しかし､個々のフォトンを得ることは､複雑であり､複雑な方法を必要とする｡様々なアプリケーションがすでに､自由電子を利用して､X線チューブの場合のように光を生成している｡

最近､Scienceに発表された新しい研究では､EPFLのフォトニクス&量子計測研究所､MPI-NAT､ゲッチンゲン大学の研究者が､自由電子を利用して､ペア状態の形態で､キャビティ-フォトン生成の新しい方法を実証している｡そうするために研究チームは､電子顕微鏡でチップベースフォトニック集積回路を使用した｡

電子顕微鏡における基本的な素粒子物理学
実験では電子顕微鏡のビームは､マイクロリング共振器と光ファイバ出力ポートで構成される組込集積フォトニックチップに渡される｡この新しいアプローチは､MPI-NATで行われる透過型電子顕微鏡(TEM)のためにEPFLで作製されたフォトニック構造を使用しており､最近確立されものである｡

電子が､リング共振器の真空エバネセント場と相互作用する時､フォトンが生成される｡このプロセスで､エネルギーと運動保存則に従い､電子はシングルフォトンのエネルギー量子を失う｡この相互作用を通して､システムはペア状態に進化する｡新開発の計測法により研究チームは､基本的な電子エネルギーと電子-フォトンペア状態を同時に検出でき､基本的な電子-フォトンペア状態を明らかにすることができる｡

自由電子による将来の量子技術
このプロセスをシングル粒子レベルで初めて観察しただけでなく､これらの成果は､シングルフォトン生成あるいは電子の生成のために新たなコンセプトを実行に移す｡特に､ペア状態の計測により､告知された粒子源が可能になる､この場合､一方の粒子の検出が他の生成を示唆する｡これは､量子技術の多くのアプリケーションで必要であり､拡大するツールセットに追加される｡

｢その方法は､電子顕微鏡で魅力的な新しい可能性を開く｡量子オプティクスの領域では､エンタングルしたフォトンペアがすでにイメージングを改善している｡われわれの研究により､そのようなコンセプトが､電子により探求可能になる｣とClaus Ropers, MPI-NAT Directorは説明している｡

最初の原理実証実験で､チームは､フォトニックモードイメージングに生成された相関電子-フォトンペアを利用し､3桁のコントラスト強化を達成する｡EPFLポスドク､論文の共同筆頭著者､Dr. Yujia Yangは､｢われわれの研究が､量子技術の力を役立てることで今後の電子顕微鏡開発に大きな影響を及ぼすとわれわれは考えている｣と付け加えている｡

未来の量子技術への特別な課題は､様々な物理系の結合の仕方である｡｢われわれは､初めて自由電子を量子情報科学のツールボックスへもちこでいる｡さらに言うと､集積フォトニクスを使って自由電子と光を結合することで､新しいクラスのハイブリッド量子技術への道が開ける｣EPFL教授､フォトニクス･量子計測研究所長､Tobias Kippenbergは話している｡

2チーム提携による研究は､現在新興の自由電子量子オプティクス分野に貢献する｡また､イベントベースおよびフォトンゲート電子分光学やイメージングにとって強力な実験プラットフォームの実証でもある｡｢われわれの研究は､電子顕微鏡で量子オプティクスコンセプト利用への重要な一歩である｡われわれは､電子告知新奇フォトニック状態､電子顕微鏡における雑音低減のような､さらに未来の方向性を探求するつもりである｣とEPFL､論文の共同主筆､Guanhao Huang, PhD学生はコメントしている｡

(詳細は､https://actu.epfl.ch/)