利用自由电子对光量子态进行超快非破坏性测量

自量子光学诞生以来，对非经典光量子态的测量一直对该领域的进展具有极其重要的意义。迄今为止，光电倍增管、雪崩光电二极管和超导纳米线等传统探测器，其核心都依赖于光对束缚电子的线性激发，这给探测带来了根本性限制。相比之下，量子光学背景下自由电子与光的相互作用具有高度非线性，并提供了令人兴奋的可能性。过去十年中作为光子诱导近场电子显微术（PINEM）一部分出现的第一批实验推动了这一方向，其中自由电子能够进行高阶多光子吸收与发射。在此，我们提出利用自由电子对光的完整量子态进行量子光学探测。我们展示了如何精确控制电子在与量子光相互作用之前和之后的状态，从而提取光子统计并利用 PINEM 实现完整的量子态层析。该技术可达到亚阿秒时间分辨率，测量任意阶的时间相干性（例如 g(1)、g(2)），并用每个电子同时探测大量光子。重要的是，电子与光的相互作用是非破坏性的，从而保持光子态（经相互作用修正后）完好无损，这在概念上不同于传统探测器。通过使用多电子脉冲，我们设想 PINEM 量子探测器如何能够对量子光的完整态实现单次测量，即使对于不可复现的发射事件也是如此。总之，我们的工作为利用电子-光相互作用的超快持续时间、高非线性和非破坏性本质的新型光电探测器铺平了道路。