Neue Quantentechnologie kombiniert freie Elektronen und Photonen

Schnellere Computer, abhörsichere Kommunikation, bessere Autosensoren – Quantentechnologien haben das Potenzial, unser Leben genauso zu revolutionieren wie einst die Erfindung des Computers oder des Internets. Weltweit versuchen Experten, Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung in Quantentechnologien umzusetzen. Dazu benötigen sie oft einzelne Teilchen wie Photonen – die Elementarteilchen des Lichts – mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Die Gewinnung einzelner Partikel ist jedoch kompliziert und erfordert komplizierte Verfahren. In einer Studie, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaftstellen Forscher nun eine neue Methode vor, die gleichzeitig zwei einzelne Teilchen in Form eines Paares erzeugt.

Grundlagen der Quantenphysik in Elektronenmikroskopen

Dem internationalen Team des Göttinger Max-Planck-Instituts (MPI) für multidisziplinäre Wissenschaften, der Universität Göttingen und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) ist es gelungen, einzelne freie Elektronen und Photonen in einem Elektronenmikroskop zu koppeln. Im Göttinger Experiment durchläuft der Strahl eines Elektronenmikroskops einen integrierten optischen Chip, der vom Schweizer Team hergestellt wurde. Der Chip besteht aus einer faseroptischen Kopplung und einem ringförmigen Resonator, der Licht speichert, indem er bewegte Photonen auf einer Kreisbahn hält.

„Wenn ein Elektron am zunächst leeren Resonator streut, entsteht ein Photon“, erklärt Armin Feist, Wissenschaftler am MPI und einer der Erstautoren der Studie. „Dabei verliert das Elektron genau so viel Energie, wie das Photon benötigt, um im Resonator quasi aus dem Nichts zu entstehen. Dadurch werden die beiden Teilchen durch ihre Wechselwirkung gekoppelt und bilden ein Paar.“ Mit einem verbesserten Messverfahren konnten die Physiker die beteiligten Einzelteilchen und ihre gleichzeitige Manifestation genau nachweisen.

Zukünftige Quantentechnologie mit freien Elektronen

„Beim Elektron-Photon-Paar müssen wir nur ein Teilchen messen, um Informationen über den Energieinhalt und das zeitliche Auftreten des zweiten zu erhalten“, sagt Germaine Arend, Ph.D. Kandidat am MPI und zugleich Erstautor der Studie. Dies ermöglicht es Forschern, ein Quantenteilchen in einem Experiment zu verwenden und gleichzeitig seine Anwesenheit zu bestätigen, indem sie das andere Teilchen in einem sogenannten Herolding-Schema nachweisen. Eine solche Eigenschaft ist für viele Anwendungen in der Quantentechnologie notwendig.

Max-Planck-Direktor Claus Ropers sieht in Elektron-Photon-Paaren eine neue Chance für die Quantenforschung. „Die Methode eröffnet faszinierende neue Möglichkeiten in der Elektronenmikroskopie. In der Quantenoptik verbessern verschränkte Photonenpaare bereits die Bildgebung. Mit unserer Arbeit können solche Konzepte nun mit Elektronen erforscht werden“, sagt Roper.

Tobias Kippenberg, Professor an der EPFL, fügt hinzu: „Zum ersten Mal bringen wir freie Elektronen in die Werkzeugkiste der Quanteninformationswissenschaft. Allgemeiner gesagt könnte die Kopplung freier Elektronen und Licht mittels integrierter Photonik den Weg zu einer neuen Klasse hybrider Quantentechnologien ebnen .“