論文の概要: Maximal quantum interaction between free electrons and photons
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2404.00377v1
- Date: Sat, 30 Mar 2024 14:11:00 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-04-04 04:10:32.467085
- Title: Maximal quantum interaction between free electrons and photons
- Title（参考訳）: 自由電子と光子の間の最大量子相互作用
- Authors: Zetao Xie, Zeling Chen, Hao Li, Qinghui Yan, Hongsheng Chen, Xiao Lin, Ido Kaminer, Owen D. Miller, Yi Yang,
- Abstract要約: 自由電子量子光学は電子-光子絡み合いを可能にし、非自明な光子状態を生成するポテンシャルを保持する。
我々は、自由電子と単一モード光子の間の量子真空相互作用強度に上限を与え、最も強い相互作用の条件を照らす。
標準測地解析および数値計算によりその限界を検証し、強い量子相互作用の実現可能性を示す準最適設計を提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 18.53651187347193
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: The emerging field of free-electron quantum optics enables electron-photon entanglement and holds the potential for generating nontrivial photon states for quantum information processing. Although recent experimental studies have entered the quantum regime, rapid theoretical developments predict that qualitatively unique phenomena only emerge beyond a certain interaction strength. It is thus pertinent to identify the maximal electron-photon interaction strength and the materials, geometries, and particle energies that enable one to approach it. We derive an upper limit to the quantum vacuum interaction strength between free electrons and single-mode photons, which illuminates the conditions for the strongest interaction. Crucially, we obtain an explicit energy selection recipe for electrons and photons to achieve maximal interaction at arbitrary separations and identify two optimal regimes favoring either fast or slow electrons over those with intermediate velocities. We validate the limit by analytical and numerical calculations on canonical geometries and provide near-optimal designs indicating the feasibility of strong quantum interactions. Our findings offer fundamental intuition for maximizing the quantum interaction between free electrons and photons and provide practical design rules for future experiments on electron-photon and electron-mediated photon-photon entanglement. They should also enable the evaluation of key metrics for applications such as the maximum power of free-electron radiation sources and the maximum acceleration gradient of dielectric laser accelerators.
- Abstract（参考訳）: 自由電子量子光学の新しい分野は、電子-光子絡み合いを可能にし、量子情報処理のための非自明な光子状態を生成する可能性を持っている。
最近の実験的研究は量子状態に入ったが、急激な理論的発展は、定性的にユニークな現象は特定の相互作用強度を超えるだけであると予測している。
したがって、最大電子-光子相互作用強度とそれに近づくことができる材料、幾何学、粒子エネルギーを同定することが重要となる。
我々は、自由電子と単一モード光子の間の量子真空相互作用強度に上限を与え、最も強い相互作用の条件を照らす。
重要なことに、電子と光子の明示的なエネルギー選択法は、任意の分離で最大相互作用を達成し、中間速度の電子よりも速い電子または遅い電子を優先する2つの最適状態を特定する。
標準測地解析および数値計算によりその限界を検証し、強い量子相互作用の実現可能性を示す準最適設計を提供する。
我々の研究は、自由電子と光子の間の量子相互作用を最大化するための基本的な直観を提供し、電子-光子および電子-光子-光子の絡み合いに関する将来の実験のための実用的な設計規則を提供する。
また、自由電子放射源の最大出力や誘電体レーザー加速器の最大加速勾配などの応用のための重要な指標の評価を可能にする必要がある。
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