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许多科学家坚定地认为，量子信息技术的应用有望引起包括计算、通信、传感、成像等一系列领域在内的技术革命。但要实现这一目标，研究人员必须需要以极高的精度控制单个量子。
目前，德国和瑞士的物理学家成功利用光纤耦合器和环形微谐振器生成了一种电子-光子量子对（Science，doi：10.1126/science.abo5037）。他们表示，只需测量其中一种粒子即可获得另一种粒子的时间和能量信息，这使得研究人员可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。同时也可以利用两者之间的相关性来降低某些类型成像中的噪声。
图1 耦合电子—光子对的产生示意图。一束自由电子（黄色）穿过环形谐振器（黑色），产生单个光子。由此产生了一个具有密切相关特性的耦合电子—光子对。
德国马克斯普朗克研究所（MPI）、哥廷根大学和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的国际团队成功地在电子显微镜中耦合单个自由电子和光子。在哥廷根大学的实验中，来自电子显微镜的光束穿过由瑞士团队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。电子束在环形谐振器上会产生电子非弹性散射，之后失去能量，恰好产生一个光子。在这个过程中，电子损失的能量正好是光子在谐振器中从无到有创造出来所需的能量。
研究人员利用能量为 120 keV 的电子在磁场中的偏转，同时使用电子探测器中记录它们的到达时间和能量来区分散射电子和非散射电子。散射的电子稍微慢一些，因此比非散射电子在磁场中更容易偏转。与此同时，在 114 µm 宽的氮化硅谐振器中产生的光子被波导分接并通过光纤发送到单光子计数器，与任何特定电子对应的光子都可以使用探测器识别。
实验团队将一个狭缝插入用于测量电子能量的光谱仪中，只记录散射电子，从而在探测器饱和之前允许更大的电子通量。因此他们能够在仅 4 ns 宽的巧合窗口内隔离那些与电子 - 光子对产生相对应的事件。他们认为，与传统的光学自发参量转换相比，每个电子能量的测量准确地揭示了微环谐振器中产生的光子数量。
图2 具有微环谐振器和光纤耦合的光学芯片。
基于上述实验，研究人员可以根据光子预测相应的电子，反之亦然。瑞士-德国团队研究发现，电子预测光子比光子预测电子更为有效，而后者只有微不足道的 0.1%。但他们表示，如果改进单光子收集技术，例如使用超导探测器或者更有效的光子外耦合技术，可能会将后者提高到 50% 左右。
虽然检测的效率还有很大的提升空间，但保真度已经非常可观了。研究人员发现，在被标记为特定电子和光子之间的巧合事件中，只有大约1 / 75是不相关的事件。他们表示，这显示了该方案在量子增强成像方面的前景，其中根据电子-光子的相关性可以将物理散射事件与背景噪声（例如探测器的暗计数）中分离出来，从而提高信噪比。
尽管研究离实际应用还有很长的路要走，过程仍然存在挑战，但 Ropers、Kippenberg 及其同事相信，实验成果为量子增强成像、电子-光子纠缠以及预示的单电子和福克态光子源提供途径。研究人员补充道，通过将自由电子量子光学与集成光子学相结合，他们首次将自由电子带入了量子信息科学的世界。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一条新道路。
