Generación, caracterización y manipulación de correlaciones cuánticas en vigas de electrones

Los grados cuánticos de libertad ocupan un gran espacio de parámetros en comparación con sus homólogos clásicos.Esta propiedad los hace desafiantes para la simulación en computadoras clásicas. Nonetheless, it also endows them with a vast information capacity, useful for novel computational and metrologic paradigms^1,2,3. Entangled photon pairs have long been the work-horse of quantum enhancement demonstrations in the optical arena, with applications in metrology^4,5, imaging^{6,7,8,9,10,11}, and spectroscopy^11,12,13,14.Un concepto clave en la generación de tales estados útiles es el inicio de interacciones bien monitoreadas entre variables continuas. The latter exhibit rich entanglement spectra and large state space on which information can be recorded and accessed^{15,16,17,18,19}. These concepts have not yet been addressed in the well-established field of free-electron-based metrology techniques, such as spectroscopy and microscopy²⁰.El diseño de enredos controlados de fuentes de electrones libres constituye el principal desafío, y esto es precisamente lo que abordamos aquí.

Extraordinary electron-beam-shaping capabilities have been recently demonstrated in electron microscopes combining ultrafast optics elements^21,22,23. Revolutionary concepts such as free-electron qubits²⁴ and cavity-induced quantum control^25,26,27 are becoming available, pointing toward the emergence of next-generation quantum light–electron technologies.Mientras que los fotones mantienen la coherencia en grandes distancias, los electrones decohere rápidamente debido a su fuerte acoplamiento ambiental.Combinado con los esquemas de control mencionados anteriormente, esto sugiere que los electrones aislados proporcionan sondas cuánticas valiosas cuando se expusen selectivamente a objetivos de interés.Mostramos que los electrones que pasan por medios de soporte de polariton pueden experimentar una interacción controlada geométricamente, lo que resulta en enredos.Este efecto está estrechamente relacionado con el emparejamiento amperano de electrones discutidos en las referencias. ^28,29,30, shown here to induce an entangled Einstein–Podolsky–Rosen state in the long interaction time limit.

Aquí, estudiamos las correlaciones cuánticas generadas por interacciones abruptas de pares de electrones con un medio vecino, como se muestra en la Fig.. 1, for a controlled time interval T_I.Exploramos el estado transitorio generado por interacciones abruptas, así como el límite de estado estacionario en el régimen perturbativo. By varying two control parameters—interaction time T_I and initial electron bandwidth σ_e—we effectively scan the degree of entanglement.El enredo en la dimensión longitudinal se caracteriza por la descomposición de Schmidt de la función de onda.Luego calculamos la probabilidad de coincidencia y la mostramos versus el grado de enredo. We denote the resulting eigenstate electronic temporal modes (ETMs) in analogy to their photonic counterparts^31,32.Finalmente, proponemos una técnica que sea útil para la discriminación en tiempo real entre ETMS, esencial para la tomografía estatal y aplicaciones de procesamiento de información cuántica relacionadas.