Una puerta lógica cuántica para electrones libres

Una puerta lógica cuántica para electrones libres

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Stefan Löffler1, Thomas Schachinger1,2, Pedro Hartel3, Peng-Han Lu4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski4, Martín Obermair6, Manuel Seca6, Dagmar Gerthsen6y Peter Schattschneider1,2

1Centro Universitario de Servicios de Microscopía Electrónica de Transmisión, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Austria
2Instituto de Física del Estado Sólido, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Austria
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Alemania
4Centro Ernst Ruska de Microscopía y Espectroscopía con Electrones (ER-C) e Instituto Peter Grünberg, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Alemania
5RWTH Universidad de Aquisgrán, Ahornstraße 55, 52074 Aquisgrán, Alemania
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Alemania

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Resumen

La carga topológica $m$ de los electrones del vórtice abarca un espacio de Hilbert de dimensión infinita. Seleccionando un subespacio bidimensional atravesado por $m=pm 1$, un haz de electrones en un microscopio electrónico de transmisión (TEM) puede considerarse como un bit cuántico (qubit) que se propaga libremente en la columna. Una combinación de lentes de cuadrupolo ópticos de electrones puede servir como un dispositivo universal para manipular dichos qubits a discreción del experimentador. Configuramos una sonda TEM que forma un sistema de lentes como una puerta cuántica y demostramos su acción numérica y experimentalmente. Los TEM de gama alta con correctores de aberraciones son una plataforma prometedora para este tipo de experimentos y abren el camino para estudiar puertas lógicas cuánticas en el microscopio electrónico.

Este experimento de prueba de principio muestra que los electrones libres en un microscopio electrónico de transmisión (TEM) se pueden usar como qubits, los componentes básicos de las computadoras cuánticas. Demostramos una puerta lógica cuántica que puede transformar estos qubits de un estado a otro. Con una resolución espacial de dimensiones atómicas, el TEM es ideal para el estudio de los fundamentos de la manipulación cuántica. Además de las posibles aplicaciones en computación cuántica, este estudio también allana el camino para mejorar significativamente la eficiencia del TEM al transformar el haz de electrones en un estado cuántico óptimo para un experimento determinado.

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