PGI-Kolloquium: Prof. Ido Kaminer, Fachbereich Elektrotechnik und Computertechnik und Festkörperinstitut, Technion - Israel Institute of Technology, Haifa, Israel

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Freie-Elektronen-Quanten-Optik

Bis vor kurzem konzentrierte sich die Arbeit in der Quantenoptik auf die Wechselwirkung von Licht mit Systemen mit gebundenen Elektronen wie Atomen, Quantenpunkten und nichtlinearen optischen Kristallen. Im Gegensatz dazu ermöglichen Systeme mit freien Elektronen grundlegend andere physikalische Phänomene, da ihre Energieverteilung kontinuierlich und nicht diskret ist, was abstimmbare Übergänge und Auswahlregeln ermöglicht.

Jüngste theoretische und experimentelle Durchbrüche bei den Quantenwechselwirkungen freier Elektronen haben ein aufregendes neues Gebiet hervorgebracht: die Quantenoptik mit freien Elektronen. Wir haben eine Plattform zur Erforschung der Quantenoptik für freie Elektronen im Nanomaßstab entwickelt und damit die erste kohärente Wechselwirkung eines freien Elektrons mit einem photonischen Hohlraum und mit der Quantenstatistik von Photonen nachgewiesen.

Diese Fähigkeiten eröffnen neue Wege zur Nutzung freier Elektronen als Träger von Quanteninformation. Freie Elektronen werden zu quantenoptischen Quellen für gewünschte photonische Zustände, die in der fehlertoleranten Quantenberechnung und -kommunikation verwendet werden, wie z. B. Schrödinger-Kat-Zustände und GKP-Zustände.

Konzepte der Quantenoptik mit freien Elektronen fördern auch neue Modalitäten in der Elektronenmikroskopie. Wir haben das erste Beispiel für kohärente Verstärkung in der Elektronenmikroskopie gezeigt. Unsere Vision ist es, ein Mikroskop zu entwickeln, das Kohärenz abbilden kann und damit über die konventionelle Abbildung von Materie hinausgeht, um auch den kohärenten Quantenzustand von Materie abzubilden und Quantenkorrelationen zwischen einzelnen Quantensystemen zu untersuchen.

Referenzen:

• N. Rivera and I. Kaminer, Light–matter interactions with photonic quasiparticles, Nature Reviews Physics 2, 538–561 (2020) (Review)
• K. Wang, R. Dahan, M. Shentcis, Y. Kauffmann, A. Ben-Hayun, O. Reinhardt, S. Tsesses, I. Kaminer, Coherent Interaction between Free Electrons and Cavity Photons, Nature 582, 50 (2020)
• R. Ruimy†, A. Gorlach†, C. Mechel, N. Rivera, and I. Kaminer, Towards atomic-resolution quantum measurements with coherently-shaped free electrons, Phys. Rev. Lett. 126, 233403 (2021)
• O. Reinhardt†, C. Mechel†, M. H. Lynch, and I. Kaminer, Free-Electron Qubits, Annalen der Physik 533, 2000254 (2021)
• Y. Kurman†, R. Dahan†, H. Herzig Shenfux, K. Wang, M. Yannai, Y. Adiv, O. Reinhardt, L. H. G. Tizei, S. Y. Woo, J. Li, J. H. Edgar, M. Kociak, F. H. L. Koppens, and I. Kaminer, Spatiotemporal imaging of 2D polariton wavepacket dynamics using free electrons, Science 372, 1181 (2021)
• R. Dahan†, A. Gorlach†, U. Haeusler†, A. Karnieli†, O. Eyal, P. Yousefi, M. Segev, A. Arie, G. Eisenstein, P. Hommelhoff, and I. Kaminer, Imprinting the quantum statistics of photons on free electrons, Science 373, 6561 (2021)
• A. Karnieli†, S. Tsesses†, R. Yu†, N. Rivera, Z. Zhao, A. Arie, S. Fan, and I. Kaminer, Quantum sensing of strongly coupled light-matter systems using free electrons, Science Advances 9, add2349 (2023)
• R. Dahan†, G. Baranes†, A. Gorlach, R. Ruimy, N. Rivera, and I. Kaminer, Creation of Optical Cat and GKP States Using Shaped Free Electrons, PRX 13, 031001 (2023)
• T. Bucher et al., Coherently amplified ultrafast imaging in a free-electron interferometer, arXiv:2305.04877