[论文解读] Ultrafast non-destructive measurement of the quantum state of light using free electrons

Alexey Gorlach, Aviv Karnieli+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2020

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications参考文献 7被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新颖的非破坏性方法，通过光子诱导近场电子显微镜（PINEM）利用自由电子实现光的超快量子态层析成像。通过精确控制电子在与量子光相互作用前后的量子态，该技术实现了亚阿托秒时间分辨率，完整提取光子统计特性，并对不可复现的量子态实现单次测量——提供了一类具有高非线性与非破坏性测量能力的根本性新型光探测器。

ABSTRACT

Since the birth of quantum optics, the measurement of quantum states of nonclassical light has been of tremendous importance for advancement in the field. To date, conventional detectors such as photomultipliers, avalanche photodiodes, and superconducting nanowires, all rely at their core on linear excitation of bound electrons with light, posing fundamental restrictions on the detection. In contrast, the interaction of free electrons with light in the context of quantum optics is highly nonlinear and offers exciting possibilities. The first experiments that promoted this direction appeared over the past decade as part of photon-induced nearfield electron microscopy (PINEM), wherein free electrons are capable of high-order multi-photon absorption and emission. Here we propose using free electrons for quantum-optical detection of the complete quantum state of light. We show how the precise control of the electron before and after its interaction with quantum light enables to extract the photon statistics and implement full quantum state tomography using PINEM. This technique can reach sub-attosecond time resolutions, measure temporal coherence of any degree (e.g., g(1), g(2)), and simultaneously detect large numbers of photons with each electron. Importantly, the interaction of the electron with light is non-destructive, thereby leaving the photonic state (modified by the interaction) intact, which is conceptually different from conventional detectors. By using a pulse of multiple electrons, we envision how PINEM quantum detectors could achieve a single-shot measurement of the complete state of quantum light, even for non-reproducible emission events. Altogether, our work paves the way to novel kinds of photodetectors that utilize the ultrafast duration, high nonlinearity, and non-destructive nature of electron-light interactions.

研究动机与目标

• 克服传统光探测器依赖束缚电子线性激发所带来的基本限制。
• 开发一种非破坏性方法，用于测量光的完整量子态，包括光子统计特性与时间相干性。
• 实现对不可复现的量子光发射事件的单次、高分辨率测量。
• 利用自由电子与光之间的非线性相互作用，实现超快量子光学检测。
• 建立一种基于电子-光相互作用、具备亚阿托秒时间分辨率的新一代光探测器范式。

提出的方法

• 利用光子诱导近场电子显微镜（PINEM）介导非线性电子-光相互作用。
• 通过精确控制电子波函数在与量子光相互作用前后的状态，提取量子态信息。
• 对电子在与光相互作用后能量与动量的变化应用量子态层析技术。
• 利用多电子脉冲实现对不可复现的量子光态的单次测量。
• 通过光场诱导的电子能量偏移测量时间相干函数（例如，g(1)，g(2)）。
• 依赖电子-光耦合的非破坏性特性，确保测量后光子态保持不变。

实验结果

研究问题

• RQ1 自由电子能否用于实现对光的完整量子态的非破坏性、超快测量？
• RQ2 自由电子与光之间的非线性相互作用在多大程度上能够实现完整的量子态层析成像？
• RQ3 该方法能否在测量量子光态时实现亚阿托秒时间分辨率？
• RQ4 是否可行利用基于电子的探测方法对不可复现的量子发射事件实现单次测量？
• RQ5 电子的能量与动量变化如何编码关于光子统计特性与相干性的信息？

主要发现

• 该方法可实现对光的量子态的非破坏性测量，确保相互作用后光子态保持不变。
• 由于电子-光耦合的超快动力学特性，可实现亚阿托秒时间分辨率。
• 通过电子能量偏移可完整提取光子统计特性与时间相干性（g(1)，g(2)）的量子态层析信息。
• 多电子脉冲使得对不可复现的量子光发射事件实现单次测量成为可能。
• 该技术利用电子-光相互作用中的高非线性特性，可实现每个电子探测大量光子。
• 由于其非破坏性、非线性与超快特性，该方法在本质上区别于传统探测器。