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Quantum entanglement in light-matter hybrid systems generated by a laser-seeded free-electron laser

Quantum entanglement in light-matter hybrid systems generated by a laser-seeded free-electron laser

Quantum entanglement enables more information to be gathered than conventional approaches can offer. This phenomenon has served as the central concept behind the rapid development of quantum information science and technology over the past decade.

Einstein himself was sceptical about the interpretation of quantum mechanics allowing for the existence of a “strange” interaction at a distance, which illustrated his unease about the idea that two particles could instantaneously affect each other’s state, regardless of the distance separating them. But the photoelectric effect, described by the photoelectric equation he himself proposed :

hν + A → eph– + A+

presents a unique opportunity to study quantum entanglement, as demonstrated by a large international collaboration gathered around the FERMI free-electron laser in Trieste (Italy): following the interaction of an atom (A) with a photon (hν), the emitted photoelectron (eph–) and the residual ion (A+) are entangled, since measurement of the ion’s kinetic energy provides information on the precise quantum state of the emitted electron.

Dans l’étude dont les résultats sont publiés dans la revue Science Advances, les impulsions lumineuses intenses dans l’extrême ultraviolet (UV-X) produites par un laser à électrons libres ensemencé par laser (FERMI à Trieste, Italie) sont utilisées pour générer une intrication quantique entre un photoélectron et un ion “habillé” de lumière. Dans l’expérience, une impulsion UV-X femtoseconde d’énergie de 40,8 eV ionise un atome d’hélium neutre (voir figure, schéma de gauche). L’impulsion étant suffisamment intense (>10 TW/cm2), l’ion He+ peut absorber un second photon de la même impulsion laser. Pour une énergie de photon accordée sur la transition électronique 1s → 2p de l’ion, ceci peut donner lieu à des oscillations de Rabi, ce qui a été démontré lors d’une précédente étude [1].

Dans cette situation, en l’absence de tout phénomène d’intrication quantique photoélectron-ion, le photoélectron déjà émis grâce à l’absorption du premier photon ne peut pas savoir que l’ion d’hélium résiduel est “habillé” avec un deuxième photon UV-X (système hybride lumière-matière). L’absence d’intrication se traduit alors par un spectre de photoélectrons montrant (voir figure, diagramme inférieur) une croissance monotone de l’énergie cinétique du photoélectron avec l’énergie du photon (en accord avec l’équation de l’effet photoélectrique d’Einstein). Cependant, si le photoélectron émis et l’ion habillé sont intriqués, alors le spectre mesuré fait apparaître un croisement évité autour de l’énergie de photon correspondant à la transition électronique résonante 1s→2p pour l’ion, rappelant la dynamique de Rabi [1] dans l’ion habillé (voir figure, diagramme supérieur).

À gauche : génération d’impulsion XUV par un laser à électron libre. À droite, en haut : spectre de photoélectrons observé en régime d’intrication quantique entre l’électron et l’ion (avec accord en fréquence et absorption d’un second photon par l’ion formé). En bas : spectre de photoélectrons observé en absence d’intrication quantique, avec des impulsions laser de basse intensité (< 6 x 1011 W/cm2).

En d’autres termes, même si le photoélectron émis s’est éloigné jusqu’à une distance de presque 200 nm de l’ion résiduel, il peut toujours fournir des informations sur ce qui se passe dans l’ion en raison de son intrication avec ce dernier [2]. L’interprétation phénoménologique de cette observation expérimentale est confirmée par la confrontation des résultats à un modèle analytique. Elle est en outre validée par l’évaluation de l’évolution temporelle de l’entropie de Von Neumann caractérisant l’intrication, évaluée par ce même modèle analytique et calculée par l’équation de Dirac.

Références :

[1] “Observation of Rabi dynamics with a short-wavelength free-electron laser”
Saikat Nandi, Edvin Olofsson, Mattias Bertolino, Stefanos Carlström, Felipe Zapata, David Busto, Carlo Callegari, Michele Di Fraia, Per Eng-Johnsson, Raimund Feifel, Guillaume Gallician, Mathieu Gisselbrecht, Sylvain Maclot, Lana Neoričić, Jasper Peschel, Oksana Plekan, Kevin C. Prince, Richard J. Squibb, Shiyang Zhong, Philipp V. Demekhin, Michael Meyer, Catalin Miron, Laura Badano, Miltcho B. Danailov, Luca Giannessi, Michele Manfredda, Filippo Sottocorona, Marco Zangrando & Jan Marcus Dahlström, Nature 608 (2022) 488–493.

[2] “Generation of entanglement using a short-wavelength seeded free-electron laser”
Saikat Nandi, Axel Stenquist, Asimina Papoulia, Edvin Olofsson, Laura Badano, Mattias Bertolino, David Busto, Carlo Callegari, Stefanos Carlström, Miltcho B. Danailov, Philipp V. Demekhin, Michele Di Fraia, Per Eng-Johnsson, Raimund Feifel, Guillaume Gallician, Luca Giannessi, Mathieu Gisselbrecht, Michele Manfredda, Michael Meyer, Catalin Miron, Jasper Peschel, Oksana Plekan, Kevin C. Prince, Richard J. Squibb, Marco Zangrando, Felipe Zapata, Shiyang Zhong, and Jan Marcus Dahlström, Science Advances 10(16) (2024) yyyyy.

Contact CEA : Catalin Miron, (DRF/IRAMIS/LIDYL)

Collaborations :

Luc BARBIER