Computadoras más rápidas, comunicación a prueba de escuchas, mejores sensores para automóviles:las tecnologías cuánticas tienen el potencial de revolucionar nuestras vidas tal como lo hizo alguna vez la invención de las computadoras o Internet. Expertos de todo el mundo están tratando de implementar los hallazgos de la investigación básica en tecnologías cuánticas. Con este fin, a menudo requieren partículas individuales, como fotones, las partículas elementales de luz, con propiedades personalizadas.

Sin embargo, la obtención de partículas individuales es complicada y requiere métodos complejos. En un estudio publicado recientemente en la revista Science , los investigadores ahora presentan un nuevo método que genera simultáneamente dos partículas individuales en forma de un par.

Física cuántica fundamental en microscopios electrónicos

El equipo internacional del Instituto Max Planck de Göttingen (MPI) para Ciencias Multidisciplinarias, la Universidad de Göttingen y el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Lausana (EPFL) logró acoplar electrones y fotones libres individuales en un microscopio electrónico. En el experimento de Göttingen, el haz de un microscopio electrónico pasa a través de un chip óptico integrado, fabricado por el equipo suizo. El chip consta de un acoplamiento de fibra óptica y un resonador en forma de anillo que almacena luz manteniendo fotones en movimiento en una trayectoria circular.

"Cuando un electrón se dispersa en el resonador inicialmente vacío, se genera un fotón", explica Armin Feist, científico del MPI y uno de los primeros autores del estudio. "En el proceso, el electrón pierde exactamente la cantidad de energía que requiere el fotón para crearse prácticamente de la nada en el resonador. Como resultado, las dos partículas se acoplan a través de su interacción y forman un par". Con un método de medición mejorado, los físicos pudieron detectar con precisión las partículas individuales involucradas y su manifestación simultánea.

Futura tecnología cuántica con electrones libres

"Con el par electrón-fotón, solo necesitamos medir una partícula para obtener información sobre el contenido de energía y la apariencia temporal de la segunda", dice Germaine Arend, Ph.D. candidato en el MPI y también primer autor del estudio. Esto permite a los investigadores utilizar una partícula cuántica en un experimento y, al mismo tiempo, confirmar su presencia detectando la otra partícula, en un llamado esquema de heraldo. Tal característica es necesaria para muchas aplicaciones en tecnología cuántica.

El director de Max Planck, Claus Ropers, ve los pares de electrones y fotones como una nueva oportunidad para la investigación cuántica. "El método abre nuevas y fascinantes posibilidades en la microscopía electrónica. En el campo de la óptica cuántica, los pares de fotones entrelazados ya mejoran las imágenes. Con nuestro trabajo, estos conceptos ahora se pueden explorar con electrones", dice Roper.

Tobias Kippenberg, profesor de EPFL, agrega:"Por primera vez, incorporamos electrones libres a la caja de herramientas de la ciencia de la información cuántica. En términos más generales, acoplar electrones libres y luz mediante fotónica integrada podría abrir el camino a una nueva clase de tecnologías cuánticas híbridas. ." + Explora más

La fotónica integrada se encuentra con la microscopía electrónica