Ο συνθετικός χώρος Hilbert των ελεύθερων ηλεκτρονίων που οδηγούνται με λέιζερ

Ο συνθετικός χώρος Hilbert των ελεύθερων ηλεκτρονίων που οδηγούνται με λέιζερ

Χρονική σήμανση: 3 Ιανουαρίου 2023 7:48 π.μ.
Κόμβος πηγής: 1867368

Guy Braiman, Ori Reinhardt, Chen Mechel, Omer Levi και Ido Kaminer

Department of Electrical and Computer Engineering and Solid State Institute, Technion – Israel Institute of Technology, 32000 Haifa, Israel

Βρείτε αυτό το άρθρο ενδιαφέρουσα ή θέλετε να συζητήσετε; Scite ή αφήστε ένα σχόλιο για το SciRate.

Περίληψη

Οι πρόσφατες εξελίξεις στις αλληλεπιδράσεις λέιζερ με συνεκτικά ελεύθερα ηλεκτρόνια επέτρεψαν τη διαμόρφωση της κβαντικής κατάστασης του ηλεκτρονίου. Κάθε ηλεκτρόνιο γίνεται μια υπέρθεση ενεργειακών επιπέδων σε μια άπειρη κβαντισμένη κλίμακα, που φαίνεται να περιέχει έως και χιλιάδες επίπεδα ενέργειας. Προτείνουμε να χρησιμοποιήσουμε την κβαντική φύση τέτοιων ελεύθερων ηλεκτρονίων που οδηγούνται από λέιζερ ως «συνθετικός χώρος Hilbert» στον οποίο κατασκευάζουμε και ελέγχουμε qudits (κβαντικά ψηφία). Το ερώτημα που παρακινεί την εργασία μας είναι ποιες καταστάσεις qudit μπορούν να προσπελαστούν χρησιμοποιώντας αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίου-λέιζερ και αν είναι δυνατό να εφαρμοστεί οποιαδήποτε αυθαίρετη κβαντική πύλη. Βρίσκουμε πώς να κωδικοποιούμε και να χειριζόμαστε καταστάσεις qudit ελεύθερων ηλεκτρονίων, εστιάζοντας σε διαστάσεις που είναι δυνάμεις του 2, όπου το qudit αντιπροσωπεύει πολλαπλά qubits που υλοποιούνται στο ίδιο ηλεκτρόνιο – αλγεβρικά διαχωρισμένα, αλλά φυσικά ενωμένα. Για παράδειγμα, αποδεικνύουμε τη δυνατότητα πλήρους ελέγχου ενός 4-διάστατου qudit και αποκαλύπτουμε τα βήματα που απαιτούνται για τον πλήρη έλεγχο οποιασδήποτε αυθαίρετης διάστασης. Η εργασία μας εμπλουτίζει το φάσμα των εφαρμογών των ελεύθερων ηλεκτρονίων στη μικροσκοπία και τη φασματοσκοπία, προσφέροντας μια νέα πλατφόρμα για κβαντικές πληροφορίες συνεχούς μεταβλητής.

Επιλεγμένη εικόνα: Απεικόνιση του συνθετικού χώρου Hilbert ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου που οδηγείται από λέιζερ.

Δημοφιλή περίληψη

Διάφορες πλατφόρμες για την κβαντική επεξεργασία πληροφοριών μελετώνται στις μέρες μας. Σε αυτή την εργασία προτείνουμε μια νέα πλατφόρμα για κβαντικές πληροφορίες συνεχούς μεταβλητής – ελεύθερα ηλεκτρόνια. Προτείνουμε να χρησιμοποιήσουμε τα επίπεδα ενέργειας στην κβαντισμένη κλίμακα ενός μεμονωμένου ελεύθερου ηλεκτρονίου που οδηγείται από λέιζερ ως «συνθετικό χώρο Hilbert» στον οποίο μπορούμε να κατασκευάσουμε και να ελέγξουμε qudits (κβαντικά ψηφία).

► Δεδομένα BibTeX

► Αναφορές

[1] Nielsen, MA and Chuang, I., Quantum computation and quantum information (2002).
https: / / doi.org/ 10.1119 / 1.1463744

[2] Cirac, JI and Zoller, P., Physical review letters, 74 4091 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.74.4091

[3] Loss, D. and DiVincenzo, DP, Physical Review Α, 57 120 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.57.120

[4] Knill, Ε., Laflamme, R. and Milburn, GJ, Nature, 409 46 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1038 / 35051009

[5] Devoret, MH and Schoelkopf, RJ, Science, 339 1169 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1231930

[6] Takui, T., Berliner, L. and Hanson, G., κβαντικός υπολογισμός με βάση τον συντονισμό σπιν ηλεκτρονίων (ESR), Springer New York (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4939-3658-8

[7] PW Shor, Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science, Santa Fe NM USA, 124-134 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[8] Saffman, M., Walker, TG and Mølmer, K., Reviews of modern physics, 82 2313 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.82.2313

[9] Reinhardt, O., Mechel, C., Lynch, MH and Kaminer, I., Annalen der Physik, 533 2000254 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1002 / andp.202000254

[10] Tsarev, MV, Ryabov, A. and Baum, P., Physical Review Research, 3 043033 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.043033

[11] Wernsdorfer, W. and Ruben, M. Advanced Materials, 31 1806687 (2019).
https://doi.org/​10.1002/​adma.201806687

[12] Sawant, R., Blackmore, JA, Gregory, PD, Mur-Petit, J., Jaksch, D., Aldegunde, J., … και Cornish, SL, New Journal of Physics, 22 013027 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab60f4

[13] Lu, HH, Hu, Z., Alshaykh, MS, Moore, AJ, Wang, Y., Imany, P., … and Kais, S., Advanced Quantum Technologies, 3 1900074 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qute.201900074

[14] J. Brendel, N. Gisin, W. Tittel and H. Zbinden., Physical Review Letters, 82 2594 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.82.2594

[15] I. Marcikic, H. De Riedmatten, W. Tittel, H. Zbinden, M. Legré and N. Gisin, Physical Review Letters, 93 180502 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.93.180502

[16] Babazadeh, A., Erhard, M., Wang, F., Malik, M., Nouroozi, R., Krenn, M. and Zeilinger, A., Physical review letters, 119 180510 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[17] Kok, P., Munro, WJ, Nemoto, K., Ralph, TC, Dowling, JP and Milburn, GJ, Reviews of Modern Physics, 79 135 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.79.135

[18] O'brien, JL, Science, 318 1567 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1142892

[19] O'brien, JL, Furusawa, A. and Vučković, J., Nature Photonics, 3 687 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2009.229

[20] Aspuru-Guzik, A. and Walther, P., Nature physics, 8 285 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2253

[21] Lloyd, S. and Braunstein, SL, Quantum Information with Continuous Variables, Springer Dordrecht (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-94-015-1258-9_2

[22] Gottesman, D., Kitaev, Α. and Preskill, J., Phys. Rev. A, 64 12310 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.012310

[23] Walschaers, M., PRX Quantum, 2 30204 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030204

[24] Arrazola, JM et al., Nature, 591 54 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-03202-1

[25] Ruimy, R., Gorlach, A., Mechel, C., Rivera, N. and Kaminer, I., Physical Review Letters, 126 233403 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.233403

[26] Zhao, Z., Sun, XQ and Fan, S., Phys. Rev. Lett., 126 233402 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.233402

[27] Mechel, C., Kurman, Y., Karnieli, A., Rivera, N., Arie, A. and Kaminer, I., Optica, 8 70 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.402693

[28] Kruit, P., Krielaart, M., van Staaden, Y. and Loginov, S., Δημιουργία αντίθεσης στην ηλεκτρονική μικροσκοπία χρησιμοποιώντας το κβαντικό φαινόμενο Zeno, EBSN (2019).

[29] Zewail, AH, Science, 328 187 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1166135

[30] Barwick, B., Flannigan, DJ and Zewail, AH, Nature, 462 902 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08662

[31] Echternkamp, ​​KE, Feist, A., Schäfer, S. and Ropers, C., Nature Physics, 12 1000 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys3844

[32] Morimoto, Y. and Baum, P., Nature Physics, 14 252 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-017-0007-6

[33] Priebe, KE, Rathje, C., Yalunin, SV, Hohage, T., Feist, A., Schäfer, S. and Ropers, C., Nature Photonics, 11 793 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41566-017-0045-8

[34] Kozák, M., Schönenberger, N. and Hommelhoff, P., Physical review letters, 120 103203 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.103203

[35] Feist, A., Echternkamp, ​​KE, Schauss, J., Yalunin, SV, Schäfer, S. and Ropers, C., Nature, 521 200 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14463

[36] Reinhardt, Ο. and Kaminer, Ι., ACS Photonics, 7 2859 (2020).
https://doi.org/​10.1021/​acsphotonics.0c01133

[37] Vanacore, GM, et al., Nature communications, 9 2694 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-05021-x

[38] García de Abajo, FJ, Asenjo-Garcia, A. and Kociak, M., Nano letters, 10 1859 (2010).
https://doi.org/​10.1021/​nl100613s

[39] Park, ST, Lin, M., and Zewail, AH, New Journal of Physics, 12 123028 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​12/​123028

[40] García de Abajo FJ, Barwick, B. and Carbone, F., Physical Review B, 94 041404 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.94.041404

[41] Wang, K., Dahan, R., Shentcis, M., Kauffmann, Y., Hayun, AB, Reinhardt, O., … and Kaminer, I., Nature, 582 50 (2020)‎.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-020-2321-x

[42] Kfir, O. et al., Nature, 582 46 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-020-2320-y

[43] Jones, JA and Mosca, Μ., The Journal of chemical physics, 109 1648 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.476739

[44] Vatan, Farrokh and Colin Williams., Physical Review A, 69 032315 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.69.032315

[45] Feist, Α., et al., Ultramicroscopy, 176 63 (2017).
https://doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2016.12.005

[46] Losquin, A. and Lummen, TT, Frontiers of Physics, 12 127301 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11467-016-0605-2

[47] Yalunin, SV, Feist, A. and Ropers, C., Physical Review Research, 3 032036 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.L032036

[48] Dahan, R., et al., Nature Physics, 16 1123 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-020-01042-w

[49] Piazza, L. Lummen, T., Quinonez, E., Murooka, Y., Reed, BW, Barwick, B. and Carbone, F., Nature communications, 6 6407 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms7407

[50] Kruit, Ρ., et al., Ultramicroscopy, 164 31 (2016).
https://doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2016.03.004

[51] Juffmann, T., Koppell, SA, Klopfer, BB, Ophus, C., Glaeser, RM and Kasevich, MA, Scientific report, 7 1699 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41598-017-01841-x

[52] Okamoto, H., Latychevskaia, T. and Fink, HW, Applied physics letters, 88 164103 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.2191096

[53] Kfir, O., Physical review letters, 123 103602 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.103602

[54] Imany, P., Jaramillo-Villegas, JA, Alshaykh, MS, Lukens, JM, Odele, OD, Moore, AJ, … και Weiner, AM, npj Quantum Information, 5 1 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0173-8

[55] Lu, HH, Weiner, AM, Lougovski, P. and Lukens, JM, IEEE Photonics Technology Letters, 31 1858 (2019).
https://doi.org/​10.1109/​LPT.2019.2942136

[56] Kues, M., Reimer, C., Roztocki, P., Cortés, LR, Sciara, S., Wetzel, B., … και Moss, DJ, Nature, 546 622 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature22986

[57] Low, PJ, White, BM, Cox, AA, Day, ML and Senko, C., Physical Review Research, 2 033128 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033128

[58] Bremner, MJ, Bacon, D. and Nielsen, MA, Physical Review Α, 71 052312 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.052312

[59] Rungta, P., Munro, WJ, Nemoto, K., Deuar, P., Milburn, GJ and Caves, CM, Directions in Quantum Optics, Springer Berlin Heidelberg, 149-164 (2001).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​3-540-40894-0_14

[60] Pirandola, S., Mancini, S., Braunstein, SL and Vitali, D., Physical Review A, 77 032309 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.032309

[61] Marques, B., Matoso, AA, Pimenta, WM, Gutiérrez-Esparza, AJ, Santos, MF and Pádua, S., Scientific report, 5 16049 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep16049

[62] Gedik, Z., Silva, IA, Çakmak, B., Karpat, G., Vidoto, ELG, Soares-Pinto, DDO, … and Fanchini, FF, Scientific report, 5 14671 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep14671

[63] Kiktenko, EO, Fedorov, AK, Strakhov, AA and Man'Ko, VI, Physics Letters A, 379 1409 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physleta.2015.03.023

[64] Bliokh, KY, Bliokh, YP, Savel'Ev, S. and Nori, F., Physical Review Letters, 99 190404 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[65] Cai, W., Reinhardt, O., Kaminer, I. and de Abajo, FJG, Physical Review B, 98 045424 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.98.045424

[66] Vanacore, GM, et al., Nature Materials, 18 573 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41563-019-0336-1

[67] Verbeeck, J., Tian, ​​Η. and Schattschneider, Ρ., Nature, 467 301 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[68] Uchida, M. and Tonomura, A., Nature, 464 737 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[69] McMorran, BJ, Agrawal, Α., Anderson, IM, Herzing, AA, Lezec, HJ, McClelland, JJ and Unguris, J., Science, 331 192 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1198804

[70] Larocque, H., Kaminer, I., Grillo, V., Leuchs, G., Padgett, MJ, Boyd, RW, Segev M. and Karimi, E., Contemporary Physics, 59 126 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2017.1418046

[71] Wang, J., Yang, J., Fazal, IM, Ahmed, N., Yan, Y., Huang, H., Ren, Y., Yue, Y., Dolinar, S., Tur, M. και Willner , AE, Nature photonics, 6 488 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2012.138

[72] Allen, L., Beijersbergen, MW, Spreeuw, RJC and Woerdman, JP, Physical review Α, 45 8185 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.45.8185

[73] Gibson, G., Courtial, J., Padgett, MJ, Vasnetsov, M., Pas'ko, V., Barnett, SM and Franke-Arnold, S., Optics express, 12 5448 (2004).
https://doi.org/​10.1364/​OPEX.12.005448

[74] Perumangatt, C., Lal, N., Anwar, A., Reddy, SG and Singh, RP, Physics Letters A, 22 1858 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physleta.2017.04.002

Αναφέρεται από

Αυτό το Βιβλίο δημοσιεύεται στο Quantum στο πλαίσιο του Creative Commons Attribution 4.0 Διεθνής (CC BY 4.0) άδεια. Τα πνευματικά δικαιώματα παραμένουν στους κατόχους των πρωτότυπων δικαιωμάτων πνευματικής ιδιοκτησίας όπως οι δημιουργοί ή τα ιδρύματά τους

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Quantum Journal