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新的全息技术为量子计算开辟了道路

2019-05-11 10:30:07   来源:

摄影测量不同颜色的光照射摄影胶片的程度。然而,光也是波,因此以相为特征。相位指定波周期内点的位置并与信息深度相关,这意味着记录物体散射的光的相位可以检索其完整的3D形状,这是通过简单照片无法获得的。这是光学全息术的基础,在星球大战等科幻电影中由花哨的全息图推广。

但问题在于,光/全息图的空间分辨率受到光的波长的限制,大约或低于1?m(0.001 mm)。这对于宏观物体来说很好,但是当它进入纳米技术领域时它开始失败。

现在,EPFL的Fabrizio Carbone实验室的研究人员已经开发出一种方法,可以看到光在最小尺度上的表现,远远超出波长限制。研究人员使用了最不寻常的照相介质:自由传播电子。该方法用于超快电子显微镜,可以在纳米结构中捕获的全息光图案中编码量子信息,并且基于电子和光相互作用的奇特方面。

科学家利用电子 - 光相互作用的量子特性将电子参考和电子成像光束分离成能量而不是空间。这使得现在可以使用光脉冲来加密关于电子波函数的信息,其可以用超快速透射电子显微镜映射。

这种新方法可以为我们提供两个重要的好处:第一,有关光本身的信息,使其成为在时间和空间上具有阿秒和纳米精度的电磁场成像的有力工具。其次,该方法可用于量子计算应用中以操纵自由电子的量子特性。

“传统的全息术可以通过测量光从物体不同部分传播的距离差异来提取3D信息,”Carbone说。“但这需要来自不同方向的额外参考光束来测量两者之间的干扰。这个概念与电子相同,但由于波长短得多,我们现在可以获得更高的空间分辨率。例如,我们能够通过使用超短电子脉冲形成全息图来记录快速移动物体的全息电影。“

除了量子计算之外,与替代方案相比,该技术具有最高的空间分辨率,并且可能改变我们在日常生活中对光的思考方式。“到目前为止,科学和技术仅限于自由传播光子,用于宏观光学设备,”Carbone说。“我们的新技术让我们可以看到纳米级光线会发生什么,这是小型化和将光器件集成到集成电路上的第一步。”