Generating optical cat states via quantum interference of multi-path free-electron–photons interactions

• DOI: 10.1016/j.scib.2023.06.006
• Publication Date: 2023-06-13T01:39:55Z
• Authors: Feng-Xiao Sun; Yiqi Fang; Qiongyi He; Yunquan Liu
• Keywords: Quantum information; Biophysics; FOS: Physical sciences; Quantum metrology; Interference (communication); Free electron model; Electron; Quantum mechanics; Quantum; Quantum technology; Quantum entanglement; Fluorescence Microscopy Techniques; Artificial Intelligence; Biochemistry, Genetics and Molecular Biology; Cavity Optomechanics and Nanomechanical Systems; Quantum Physics; Quantum optics; Quantum sensor; Physics; Life Sciences; Photon; Computer science; Quantum Information and Computation; Atomic and Molecular Physics, and Optics; Quantum imaging; Quantum state; Physics and Astronomy; Channel (broadcasting); Open quantum system; Computer Science; Physical Sciences; Quantum Ground State; Telecommunications; Quantum Physics (quant-ph)

Los novedosos efectos cuánticos inducidos por la interacción electrón libre-fotones han atraído un interés creciente debido a sus posibles aplicaciones en el procesamiento de información cuántica ultrarrápida. Aquí, proponemos un esquema para generar estados Cat ópticos basados en la interferencia cuántica de interacciones multitrayecto de electrones libres y fotones que tienen lugar simultáneamente con una fuerte fuerza de acoplamiento. Al realizar una medición de proyección en el electrón, el estado de la luz cambia significativamente de un estado coherente a un estado no gaussiano con negatividad de Wigner o propiedad de compresión, ambos poseen poder metrológico para lograr una ventaja cuántica. Más importante aún, mostramos que la negatividad de Wigner oscila con la fuerza de acoplamiento, y los estados Cat ópticos se generan con éxito con alta fidelidad en todos los picos de oscilación. Esta oscilación revela el efecto de interferencia cuántica de las múltiples vías cuánticas en la interacción del electrón con los fotones, por lo que varios estados de luz no clásicos prometen ser preparados y manipulados rápidamente. Estos hallazgos inspiran una mayor exploración de los fenómenos cuánticos emergentes y las tecnologías cuánticas avanzadas con electrones libres.<br/>The novel quantum effects induced by the free-electron-photons interaction have attracted increasing interest due to their potential applications in ultrafast quantum information processing. Here, we propose a scheme to generate optical cat states based on the quantum interference of multi-path free-electron-photons interactions that take place simultaneously with strong coupling strength. By performing a projection measurement on the electron, the state of light changes significantly from a coherent state into a non-Gaussian state with either Wigner negativity or squeezing property, both possess metrological power to achieve quantum advantage. More importantly, we show that the Wigner negativity oscillates with the coupling strength, and the optical cat states are successfully generated with high fidelity at all the oscillation peaks. This oscillation reveals the quantum interference effect of the multiple quantum pathways in the interaction of the electron with photons, by that various nonclassical states of light are promising to be fast prepared and manipulated. These findings inspire further exploration of emergent quantum phenomena and advanced quantum technologies with free electrons.<br/>Les nouveaux effets quantiques induits par l'interaction électrons libres-photons ont suscité un intérêt croissant en raison de leurs applications potentielles dans le traitement de l'information quantique ultra-rapide. Ici, nous proposons un schéma pour générer des états CAT optiques basés sur l'interférence quantique des interactions multi-trajets électrons libres-photons qui ont lieu simultanément avec une forte force de couplage. En effectuant une mesure de projection sur l'électron, l'état de la lumière change de manière significative d'un état cohérent à un état non gaussien avec une négativité de Wigner ou une propriété de compression, les deux possèdent une puissance métrologique pour obtenir un avantage quantique. Plus important encore, nous montrons que la négativité de Wigner oscille avec la force de couplage et que les états optiques CAT sont générés avec succès avec une haute fidélité à tous les pics d'oscillation. Cette oscillation révèle l'effet d'interférence quantique des multiples voies quantiques dans l'interaction de l'électron avec les photons, par le fait que divers états de lumière non classiques promettent d'être rapidement préparés et manipulés. Ces résultats inspirent une exploration plus approfondie des phénomènes quantiques émergents et des technologies quantiques avancées avec des électrons libres.<br/>جذبت التأثيرات الكمومية الجديدة الناجمة عن تفاعل الإلكترون والفوتونات الحرة اهتمامًا متزايدًا بسبب تطبيقاتها المحتملة في معالجة المعلومات الكمومية فائقة السرعة. هنا، نقترح مخططًا لتوليد حالات قطة بصرية بناءً على التداخل الكمومي لتفاعلات الفوتونات والإلكترونات الحرة متعددة المسارات التي تحدث في وقت واحد مع قوة اقتران قوية. من خلال إجراء قياس الإسقاط على الإلكترون، تتغير حالة الضوء بشكل كبير من حالة متماسكة إلى حالة غير غاوسية إما بسلبية ويغنر أو خاصية الضغط، وكلاهما يمتلك قوة مترولوجية لتحقيق ميزة كمية. والأهم من ذلك، نظهر أن سلبية Wigner تتأرجح مع قوة الاقتران، ويتم إنشاء حالات القط البصرية بنجاح بدقة عالية في جميع قمم التذبذب. يكشف هذا التذبذب عن تأثير التداخل الكمومي للمسارات الكمومية المتعددة في تفاعل الإلكترون مع الفوتونات، من خلال أن العديد من حالات الضوء غير الكلاسيكية تعد بالتحضير والتلاعب السريع. تلهم هذه النتائج المزيد من الاستكشاف للظواهر الكمومية الناشئة والتقنيات الكمومية المتقدمة مع الإلكترونات الحرة.<br/>