En kvantelogikport til gratis elektroner

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Stefan Löffler¹, Thomas Schachinger^1,2, Peter Hartel³, Peng-Han Lu^4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski⁴, Martin Obermair⁶, Manuel Dries⁶, Dagmar Gerthsen⁶, og Peter Schattschneider^1,2

¹Universitetsservicecenter for transmissionselektronmikroskopi, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Østrig
²Institute of Solid State Physics, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Østrig
³CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Tyskland
⁴Ernst Ruska-center for mikroskopi og spektroskopi med elektroner (ER-C) og Peter Grünberg Instituttet, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Tyskland
⁵RWTH Aachen University, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Tyskland
⁶Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Tyskland

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Den topologiske ladning $m$ af hvirvelelektroner spænder over et uendeligt dimensionelt Hilbert-rum. Ved at vælge et todimensionelt underrum spændt over $m=pm 1$, kan en stråleelektron i et transmissionselektronmikroskop (TEM) betragtes som en kvantebit (qubit), der frit udbreder sig i søjlen. En kombination af elektronoptiske quadrupole linser kan tjene som en universel enhed til at manipulere sådanne qubits efter eksperimentatorens skøn. Vi opsætter et TEM-sondedannende linsesystem som en kvanteport og demonstrerer dets virkning numerisk og eksperimentelt. Avancerede TEM'er med aberrationskorrektorer er en lovende platform for sådanne eksperimenter, der åbner vejen for at studere kvantelogiske porte i elektronmikroskopet.

Udvalgt billede: Venstre: Skematisk af den elektron-optiske opsætning. Midten: Incident bølgefunktion. Til højre: Transformeret udgående bølgefunktion og eksperimentel intensitetsfordeling.

Populært resumé

Dette proof-of-princip-eksperiment viser, at frie elektroner i et transmissionselektronmikroskop (TEM) kan bruges som qubits, byggestenene til kvantecomputere. Vi demonstrerer en kvantelogisk gate, som kan transformere disse qubits fra en tilstand til en anden. Med en rumlig opløsning ned til atomare dimensioner er TEM ideel til studiet af det grundlæggende i kvantemanipulation. Ud over de mulige anvendelser inden for kvanteberegning baner denne undersøgelse også vejen for markant forbedring af TEM's effektivitet ved at transformere elektronstrålen til en optimal kvantetilstand for et givet eksperiment.

► BibTeX-data

@article{Loffler2023quantumlogicgate, doi = {10.22331/q-2023-07-11-1050}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-07-11-1050}, titel = {A quantum logisk port for frie elektroner}, forfatter = {L{“{o}}ffler, Stefan og Schachinger, Thomas og Hartel, Peter og Lu, Peng-Han og Dunin-Borkowski, Rafal E. og Obermair, Martin og Dries, Manuel og Gerthsen, Dagmar og Schattschneider, Peter}, tidsskrift = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, udgiver = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, bind = {7}, sider = {1050}, måned = jul, år = {2023} }

► Referencer

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran og V. Grillo. Elektronstråleformning i transmissionselektronmikroskopet: Kontrol af elektronstråleudbredelse langs atomsøjler. Phys. Rev. Appl., 11 (4): 044072, april 2019. 10.1103/physrevapplied.11.044072.
https:///doi.org/10.1103/physrevapplied.11.044072

[2] J. Hammer, S. Thomas, P. Weber og P. Hommelhoff. Mikrobølgechip-baseret stråledeler til lavenergistyrede elektroner. Phys. Rev. Lett., 114 (25): 254801, 2015. 10.1103/PhysRevLett.114.254801.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.254801

[3] T. Schachinger, S. Löffler, A. Steiger-Thirsfeld, M. Stöger-Pollach, S. Schneider, D. Pohl, B. Rellinghaus og P. Schattschneider. EMCD med et elektronhvirvelfilter: Begrænsninger og muligheder. Ultramicroscopy, 179: 15-23, 2017. 10.1016/j.ultramic.2017.03.019.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2017.03.019

[4] J. Verbeeck, H. Tian og G. Van Tendeloo. Hvordan manipulerer man nanopartikler med en elektronstråle? Adv. Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/adma.201204206.
https:///doi.org/10.1002/adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen og M. Padgett. Fremskridt i optisk vinkelmomentum. Laser Photonics Rev., 2 (4): 299–313, 2008. 10.1002/lpor.200810007.
https:///doi.org/10.1002/lpor.200810007

[6] A. Babazadeh, M. Erhard, F. Wang, M. Malik, R. Nouroozi, M. Krenn og A. Zeilinger. Højdimensionelle enkeltfoton kvanteporte: koncepter og eksperimenter. Phys. Rev. Lett., 119: 180510, nov 2017. 10.1103/PhysRevLett.119.180510.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.180510

[7] R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumov, M. Batuk og J. Verbeeck. Brug af elektronhvirvelstråler til at bestemme chiralitet af krystaller i transmissionselektronmikroskopi. Phys. Rev. B, 91: 094112, Mar 2015. 10.1103/PhysRevB.91.094112.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.91.094112

[8] GM Vanacore, I. Madan, G. Berruto, K. Wang, E. Pomarico, RJ Lamb, D. McGrouther, I. Kaminer, B. Barwick, FJ Garcia De Abajo og F. Carbone. Attosecond kohærent kontrol af frie elektronbølgefunktioner ved hjælp af semi-uendelige lysfelter. Nat. Commun., 9 (1): 2694, 2018. 10.1038/s41467-018-05021-x.
https:///doi.org/10.1038/s41467-018-05021-x

[9] A. Feist, KE Echternkamp, J. Schauss, SV Yalunin, S. Schäfer og C. Ropers. Kvantekohærent optisk fasemodulation i et ultrahurtigt transmissionselektronmikroskop. Nature, 521 (7551): 200–203, 2015. 10.1038/nature14463.
https:///doi.org/10.1038/nature14463

[10] C. Kealhofer, W. Schneider, D. Ehberger, A. Ryabov, F. Krausz og P. Baum. Al-optisk kontrol og metrologi af elektronimpulser. Science, 352 (6284): 429–433, 2016. 10.1126/science.aae0003.
https://doi.org/10.1126/science.aae0003

[11] N. Schönenberger, A. Mittelbach, P. Yousefi, J. McNeur, U. Niedermayer og P. Hommelhoff. Generering og karakterisering af attosekunds mikrobundte elektronpulstog via dielektrisk laseracceleration. Phys. Rev. Lett., 123 (26): 264803, 2019. 10.1103/PhysRevLett.123.264803.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.264803

[12] KY Bliokh, YP Bliokh, S. Savel'ev og F. Nori. Semiklassisk dynamik af elektronbølgepakketilstande med fasehvirvler. Phys. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/PhysRevLett.99.190404.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, MR Dennis og F. Nori. Relativistiske elektronhvirvelstråler: Vinkelmomentum og spin-kredsløbsinteraktion. Phys. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/PhysRevLett.107.174802.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian og P. Schattschneider. Produktion og anvendelse af elektronhvirvelstråler. Nature, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/nature09366.
https:///doi.org/10.1038/nature09366

[15] M. Uchida og A. Tonomura. Generering af elektronstråler, der bærer orbitalt vinkelmoment. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/nature08904.
https:///doi.org/10.1038/nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck og F. Nori. Elektronhvirvelstråler i et magnetfelt: En ny drejning på Landau-niveauer og Aharonov-Bohm-tilstande. Phys. Rev. X, 2 (4): 041011, 2012. 10.1103/PhysRevX.2.041011.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.2.041011

[17] P. Schattschneider, T. Schachinger, M. Stöger-Pollach, S. Löffler, A. Steiger-Thirsfeld, KY Bliokh og F. Nori. Billeddannelse af dynamikken i fri-elektron Landau-tilstande. Nat. Commun., 5: 4586, august 2014. 10.1038/ncomms5586.
https:///doi.org/10.1038/ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori og J. Verbeeck. Observation af Larmor- og Gouy-rotationerne med elektronvortex-stråler. Phys. Rev. Lett., 110: 093601, februar 2013. 10.1103/PhysRevLett.110.093601.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach og P. Schattschneider. Besynderlig rotation af elektronhvirvelstråler. Ultramicroscopy, 158: 17-25, november 2015. ISSN 0304-3991. 10.1016/j.ultramic.2015.06.004.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2015.06.004

[20] KY Bliokh, IP Ivanov, G. Guzzinati, L. Clark, R. Van Boxem, A. Béché, R. Juchtmans, MA Alonso, P. Schattschneider, F. Nori og J. Verbeeck. Teori og anvendelser af fri-elektron hvirveltilstande. Phys. Rep., 690: 1-70, 2017. 10.1016/j.physrep.2017.05.006.
https:///doi.org/10.1016/j.physrep.2017.05.006

[21] MV Larsen, X. Guo, CR Breum, JS Neergaard-Nielsen og UL Andersen. Deterministisk generering af en todimensionel klyngetilstand. Science, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/science.aay4354.
https://doi.org/10.1126/science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage og H. Häffner. Materialeudfordringer for fangede-ion kvantecomputere. Nat. Rev. Mater., 6 (10): 892–905, 2021. 10.1038/s41578-021-00292-1.
https://doi.org/10.1038/s41578-021-00292-1

[23] M. Kjaergaard, ME Schwartz, J. Braumüller, P. Krantz, JI. Wang, S. Gustavsson og WD Oliver. Superledende qubits: Aktuel tilstand. Annu. pastor Conden. Ma. P., 11: 369-395, 2020. 10.1146/annurev-conmatphys-031119-050605.
https:///doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-031119-050605

[24] CE Bradley, J. Randall, MH Abobeih, RC Berrevoets, MJ Degen, MA Bakker, M. Markham, DJ Twitchen og TH Taminiau. Et ti-qubit solid-state spin register med kvantehukommelse op til et minut. Phys. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/PhysRevX.9.031045.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab og F. Nori. Naturlige og kunstige atomer til kvanteberegning. Rep. Prog. Phys., 74 (10): 104401, sep. 2011. 10.1088/0034-4885/74/10/104401.
https://doi.org/10.1088/0034-4885/74/10/104401

[26] A. Chatterjee, P. Stevenson, S. De Franceschi, A. Morello, NP de Leon og F. Kuemmeth. Halvleder-qubits i praksis. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/s42254-021-00283-9. Citeret af: 91.
https://doi.org/10.1038/s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch og I. Kaminer. Fri-elektron qubits. Ann. Phys., 533 (2): 2000254, 2021. 10.1002/ogp.202000254.
https:///doi.org/10.1002/andp.202000254

[28] R. Ruimy, A. Gorlach, C. Mechel, N. Rivera og I. Kaminer. Mod atomopløsning kvantemålinger med kohærent formede frie elektroner. Phys. Rev. Lett., 126 (23): 233403, jun 2021. 10.1103/physrevlett.126.233403.
https:///doi.org/10.1103/physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov og P. Baum. Fri-elektron-qubits og maksimal-kontrast-attosekund-impulser via temporale talbot-genoplivninger. Phys. Rev. Research, 3 (4): 043033, okt 2021. 10.1103/physrevresearch.3.043033.
https:///doi.org/10.1103/physrevresearch.3.043033

[30] S. Löffler. Unitære to-tilstands kvanteoperatorer realiseret af kvadrupolfelter i elektronmikroskopet. Ultramicroscopy, 234: 113456, 2022. 10.1016/j.ultramic.2021.113456.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2021.113456

[31] P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach og J. Verbeeck. Ny vortex-generator og mode-konverter til elektronstråler. Phys. Rev. Lett., 109 (8): 084801, 2012. 10.1103/PhysRevLett.109.084801.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.084801

[32] T. Schachinger, P. Hartel, P. Lu, S. Löffler, M. Obermair, M. Dries, D. Gerthsen, RE Dunin-Borkowski og P. Schattschneider. Eksperimentel realisering af en $pi/2$ hvirveltilstandskonverter til elektroner ved hjælp af en sfærisk aberrationskorrektor. Ultramicroscopy, 229: 113340, 2021. 10.1016/j.ultramic.2021.113340.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karlovets. Relativistiske hvirvelelektroner: Paraksiale versus ikke-paraksiale regimer. Phys. Rev. A, 98: 012137, juli 2018. 10.1103/PhysRevA.98.012137.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati og J. Verbeeck. Kvantitativ måling af orbital vinkelmoment i elektronmikroskopi. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics, 89 (5): 053818, 2014. 10.1103/PhysRevA.89.053818.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.89.053818

[35] G. Guzzinati, L. Clark, A. Béché og J. Verbeeck. Måling af det orbitale vinkelmomentum af elektronstråler. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/PhysRevA.89.025803.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMorran, TR Harvey og MPJ Lavery. Effektiv sortering af fri elektronorbital vinkelmoment. New J. Phys., 19 (2): 023053, 2017. 10.1088/1367-2630/aa5f6f.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/aa5f6f

[37] V. Grillo, AH Tavabi, F. Venturi, H. Larocque, R. Balboni, GC Gazzadi, S. Frabboni, P. . Lu, E. Mafakheri, F. Bouchard, RE Dunin-Borkowski, RW Boyd, MPJ Lavery, MJ Padgett og E. Karimi. Måling af det orbitale vinkelmomentspektrum for en elektronstråle. Nat. Commun., 8: 15536, 2017. 10.1038/ncomms15536.
https:///doi.org/10.1038/ncomms15536

[38] G. Pozzi, V. Grillo, P. Lu, AH Tavabi, E. Karimi og RE Dunin-Borkowski. Design af elektrostatiske faseelementer til sortering af elektronernes orbitale vinkelmomentum. Ultramicroscopy, 208: 112861, 2020. 10.1016/j.ultramic.2019.112861.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2019.112861

[39] AH Tavabi, P. Rosi, E. Rotunno, A. Roncaglia, L. Belsito, S. Frabboni, G. Pozzi, GC Gazzadi, P. Lu, R. Nijland, M. Ghosh, P. Tiemeijer, E. Karimi, RE Dunin-Borkowski og V. Grillo. Eksperimentel demonstration af en elektrostatisk orbital vinkelmomentumsorterer til elektronstråler. Phys. Rev. Lett., 126 (9): 094802, mar 2021. 10.1103/physrevlett.126.094802.
https:///doi.org/10.1103/physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen og MJ Padgett. Effektiv sortering af lysets vinkelmomenttilstande i orbital. Phys. Rev. Lett., 105 (15): 153601, 2010. 10.1103/PhysRevLett.105.153601.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.153601

[41] C. Kramberger, S. Löffler, T. Schachinger, P. Hartel, J. Zach og P. Schattschneider. π/2-mode omformere og hvirvelgeneratorer til elektroner. Ultramicroscopy, 204: 27-33, september 2019. 10.1016/j.ultramic.2019.05.003.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2019.05.003

[42] A. Béché, R. Van Boxem, G. Van Tendeloo og J. Verbeeck. Magnetisk monopolfelt eksponeret af elektroner. Nat. Phys., 10 (1): 26-29, december 2013. ISSN 1745-2481. 10.1038/nphys2816.
https://doi.org/10.1038/nphys2816

[43] M. Dries, M. Obermair, S. Hettler, P. Hermann, K. Seemann, F. Seifried, S. Ulrich, R. Fischer og D. Gerthsen. Oxidfri $text{aC}/text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/text{aC}$ faseplader til transmissionselektronmikroskopi. Ultramicroscopy, 189: 39-45, jun 2018. 10.1016/j.ultramic.2018.03.003.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2018.03.003

[44] A. Lubk, L. Clark, G. Guzzinati og J. Verbeeck. Topologisk analyse af paraaksialt spredte elektronhvirvelstråler. Phys. Rev. A, 87: 033834, marts 2013. 10.1103/PhysRevA.87.033834.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Fejltolerant beregning af nogen. Ann. Phys., 303: 2-30, 2003. 10.1016/S0003-4916(02)00018-0.
https://doi.org/10.1016/S0003-4916(02)00018-0

[46] H. Okamoto. Målefejl i sammenfiltringsassisteret elektronmikroskopi. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/PhysRevA.89.063828.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneider og S. Löffler. Sammenfiltring og dekohærens i elektronmikroskopi. Ultramicroscopy, 190: 39–44, 2018. 10.1016/j.ultramic.2018.04.007.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2018.04.007

[48] P. Schattschneider, S. Löffler, H. Gollisch og R. Feder. Sammenfiltring og entropi i elektron-elektron spredning. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 241: 146810, 2020. 10.1016/j.elspec.2018.11.009.
https:///doi.org/10.1016/j.elspec.2018.11.009

[49] R. Haindl, A. Feist, T. Domröse, M. Möller, JH Gaida, SV Yalunin og C. Ropers. Coulomb-korrelerede elektronnummertilstande i en transmissionselektronmikroskopstråle. Nature Physics, 2023. 10.1038/s41567-023-02067-7.
https://doi.org/10.1038/s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl og P. Hommelhoff. Få-elektron-korrelationer efter ultrahurtig fotoemission fra nanometriske nålespidser. Nature Physics, 2023. 10.1038/s41567-023-02059-7.
https://doi.org/10.1038/s41567-023-02059-7

[51] M. Scheucher, T. Schachinger, T. Spielauer, M. Stöger-Pollach og P. Haslinger. Diskriminering af sammenhængende og usammenhængende katodoluminescens ved hjælp af tidsmæssige foton-korrelationer. Ultramicroscopy, 241: 113594, nov 2022. 10.1016/j.ultramic.2022.113594.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2022.113594

[52] A. Konečná, F. Iyikanat og FJ García de Abajo. Indfiltring af frie elektroner og optiske excitationer. Sci. Adv., 8 (47): eabo7853, nov 2022. 10.1126/sciadv.abo7853.
https:///doi.org/10.1126/sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack og T. Schachinger. Elastisk udbredelse af hurtige elektronhvirvler gennem amorfe materialer. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/S2053273319012889.
https:///doi.org/10.1107/S2053273319012889

Citeret af

Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.

SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
PlatoESG. Automotive/elbiler, Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
BlockOffsets. Modernisering af miljømæssig offset-ejerskab. Adgang her.
Kilde: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-07-11-1050/

Tidsstempel: Juli 11, 2023

Tidsstempel: Juni 1, 2023

En kvantelogisk port for frie elektroner

Genudgivet af Platon

Abstrakt

Populært resumé

► BibTeX-data

► Referencer

Citeret af

Mere fra Quantum Journal

Gennemsnitlig case-verifikation af Quantum Fourier-transformationen muliggør worst-case faseestimering

Ressourceteori om årsagssammenhæng

Bias-skræddersyede kvante-LDPC-koder

En skalerbar og hurtig kunstig neuralt netværkssyndrom-dekoder til overfladekoder

Dissipative faseovergange i $n$-fotondrevne kvante ikke-lineære resonatorer

Robuste kvantemangel-ar i gittermåleteorier

Vigtighedsprøvetagning for stokastiske kvantesimuleringer

Termometri af Gaussiske kvantesystemer ved hjælp af Gaussiske målinger

"korrekte" skiftregler for derivater af forstyrrede-parametriske kvanteevolutioner

Om Quantum Speedups til ikke-konveks optimering via Quantum Tunneling Walks

Årsagsstruktur i nærvær af sektormæssige begrænsninger, med anvendelse på kvanteomskifteren

Om os

Vertikal søgning & Ai

perron

Stay Connected

Konto