量子物理定律不仅非凡，它们还为高级信息处理、量子计算和密码学提供了一些深远而独特的可能性。到目前为止，这些量子操作的基本构建块是基于超导谐振器形式的电路、光子形式的光或离子链形式的原子等。然而，所有这些量子系统都有其各自缺点，因此科学家们一直在寻找有用的替代品。

在最近发表在《物理评论研究》上的文章中，康斯坦茨大学物理系的科学家们找到了一种方法，可以将真空中的自由电子调制成所谓的量子位，即两能级的量子比特。这种量子比特是量子计算机信息处理的基石。为了产生自由电子量子比特，研究人员使用透射电子显微镜的电子束作为电子源，并将其与经典激光的电场相交。

该研究团队负责人Peter Baum教授解释说：“由此产生的物质波干涉将电子能量周期性地调制成离散的、明确定义的能级，我们将其用来作为形成量子比特的资源。”

在光波的振荡中，电子束的电子以连续周期性且非常快的进行加速和减速。研究小组的负责人Peter Baum教授解释说：“电子束和激光的光学循环之间的这种快速相互作用导致电子能量周期性地调制成离散的、明确定义的能级。我们使用这种可以用我们仪器探测到的量子化作为制成量子比特的资源。”

有趣的是，实验中电子束和激光束的交叉不仅导致了能量域中所描述的现象(这些现象与量子比特生成有关)，通过正确选择激光参数，时域中会出现额外的有用现象：电子束转换为一系列持续时间在阿秒范围内的极短电子脉冲。

Peter Baum说：“这相当于一秒的百万分之一，在这样的时间跨度内，即使是光也只能覆盖到更大分子的大小。”这种极短的电子脉冲对于复杂的光与物质相互作用的超快电子显微镜非常有用，除了在原子水平上获得巨大的空间分辨率外，它们还能实现最大的时间分辨率。

实验中量子比特和阿秒电子脉冲的另一个实用特点是它们的高生产率：可每秒产生大约十亿个量子比特或电子脉冲。这种高通量是通过使用连续的非脉冲电子源和连续的非脉冲激光束来实现的。这样的电子束中几乎每一个自由电子都被调制，量子比特的产生只受现代高能电子源的性能限制。

然而，这并不是激光形状的自由电子和量子比特成为进一步研究对象的唯一原因。Peter Baum补充道：“在自由空间的真空中，作为基本粒子的电子不与任何材料相互作用。因此，所谓的退相干——信息向环境的损失——相当缓慢。此外，电子束的激光光学控制是通用的，可以快速切换。” 因此，激光控制下的自由电子量子比特在未来的量子信息基础研究和应用中都可以发挥重要作用。

仔细观察，实验中使用的电子束中的自由电子不是点粒子，而是具有有限相干长度的波函数，该波函数覆盖了所用激光束的多次光振荡。正因如此，相同的最终能量会在多个时间点由相邻的光场循环相干地产生。因此，物质波干涉将能谱周期性调制成离散的能量边带，研究人员将其用作两能级量子系统的资源。

量子操作是通过简单的自由空间传播进行的，不同的边带由于电子的剩余质量而获得非线性物质波相位，随后在光束中发生第二次激光相互作用并在几厘米后产生边带。通过这种方式，研究人员几乎可以到达布洛赫球体上的任何一点(即“坐标系”)，在该坐标系中，量子比特态在几何上表示为单位球体表面上的点。（编译:Qtech）