Kvantloogika värav vabade elektronide jaoks

Kvantloogika värav vabade elektronide jaoks

Allikasõlm: 2768981

Stefan Löffler1, Thomas Schachinger1,2, Peter Hartel3, Peng-Han Lu4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski4, Martin Obermair6, Manuel Dries6, Dagmar Gerthsen6ja Peter Schattschneider1,2

1Ülikooli ülekandeelektronmikroskoopia teeninduskeskus, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Austria
2Tahkisfüüsika instituut, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Austria
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Saksamaa
4Ernst Ruska – elektronidega mikroskoopia ja spektroskoopia keskus (ER-C) ja Peter Grünbergi instituut, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Saksamaa
5RWTH Aacheni ülikool, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Saksamaa
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Saksamaa

Kas see artikkel on huvitav või soovite arutada? Scite või jätke SciRate'i kommentaar.

Abstraktne

Pööriselektronide topoloogiline laeng $ m $ katab lõpmatu mõõtmega Hilberti ruumi. Valides kahemõõtmelise alamruumi, mille ulatus on $m=pm 1$, võib ülekandeelektronmikroskoobis (TEM) kiirelektroni pidada veerus vabalt levivaks kvantbitiks (qubit). Elektron-optiliste kvadrupoolläätsede kombinatsioon võib olla universaalne seade selliste kubitide manipuleerimiseks eksperimenteerija äranägemisel. Seadistasime kvantväravana TEM-sondi moodustava läätsesüsteemi ja demonstreerime selle tegevust arvuliselt ja eksperimentaalselt. Aberratsioonikorrektoritega tipptasemel TEM-id on selliste katsete jaoks paljulubav platvorm, mis avab võimaluse uurida elektronmikroskoobis kvantloogikaväravaid.

See põhimõtet tõendav katse näitab, et ülekandeelektronmikroskoobis (TEM) olevaid vabu elektrone saab kasutada kubitidena, kvantarvutite ehitusplokkidena. Näitame kvantloogika väravat, mis suudab need kubitid ühest olekust teise teisendada. Ruumilise eraldusvõimega kuni aatomimõõtmeteni sobib TEM ideaalselt kvantmanipulatsiooni põhialuste uurimiseks. Lisaks võimalikele rakendustele kvantarvutuses sillutab see uuring teed ka TEM-i efektiivsuse oluliseks parandamiseks, muutes elektronkiire antud katse jaoks optimaalseks kvantolekuks.

► BibTeX-i andmed

► Viited

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran ja V. Grillo. Elektronkiire kujundamine ülekandeelektronmikroskoobis: elektronkiire levimise juhtimine piki aatomisammasid. Phys. Rev. Appl., 11 (4): 044072, aprill 2019. 10.1103/​füüsiliselt uuendatud.11.044072.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevapplied.11.044072

[2] J. Hammer, S. Thomas, P. Weber ja P. Hommelhoff. Mikrolainekiibil põhinev kiirjaotur madala energiatarbega juhitavate elektronide jaoks. 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 ja P. Schattschneider. EMCD elektronpöörisfiltriga: piirangud ja võimalused. Ultramikroskoopia, 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 ja G. Van Tendeloo. Kuidas manipuleerida nanoosakestega elektronkiirega? Adv. Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/adma.201204206.
https://​/​doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen ja M. Padgett. Optilise nurkimpulsi edenemine. 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 ja A. Zeilinger. Kõrgmõõtmelised ühefootonilised kvantväravad: kontseptsioonid ja katsed. 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 ja J. Verbeeck. Elektronpööriste kiirte kasutamine kristallide kiraalsuse määramiseks ülekandeelektronmikroskoopias. Phys. Rev. B, 91: 094112, märts 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 ja F. Carbone. Vabade elektronide lainefunktsioonide attosekundiline koherentne juhtimine poollõpmatute valgusväljade abil. 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 ja C. Ropers. Kvantkoherentne optiline faasimodulatsioon ülikiire ülekandega elektronmikroskoobis. 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 ja P. Baum. Elektronimpulsside täisoptiline juhtimine ja metroloogia. 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 ja P. Hommelhoff. Attosekundiliste mikrokimpude elektronimpulsside genereerimine ja iseloomustamine dielektrilise laserkiirenduse abil. 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 ja F. Nori. Faasipööristega elektronlainete pakettide olekute poolklassikaline dünaamika. Phys. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, MR Dennis ja F. Nori. Relativistlikud elektronpöörised: nurkimpulss ja spin-orbiidi vastastikmõju. Phys. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.174802.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian ja P. Schattschneider. Elektronpööriste kiirte tootmine ja rakendamine. Nature, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/nature09366.
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature09366

[15] M. Uchida ja A. Tonomura. Orbiidi nurkmomenti kandvate elektronkiirte genereerimine. Nat., 464: 737–739, 04. 2010. 10.1038/nature08904.
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck ja F. Nori. Elektronpöörised magnetväljas: uus pööre Landau tasanditel ja Aharonov-Bohmi olekutes. 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 ja F. Nori. Vabaelektrooniliste Landau olekute dünaamika kujutamine. Nat. Commun., 5: 4586, august 2014. 10.1038/ncomms5586.
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori ja J. Verbeeck. Larmori ja Gouy pöörlemiste vaatlemine elektronpööriste kiirtega. Phys. Rev. Lett., 110: 093601, veebruar 2013. 10.1103/​PhysRevLett.110.093601.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach ja P. Schattschneider. Elektronpööriste kiirte omapärane pöörlemine. 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 ja J. Verbeeck. Vabade elektronide keerise olekute teooria ja rakendused. 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 ja UL Andersen. Kahemõõtmelise klastri oleku deterministlik genereerimine. Science, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage ja H. Häffner. Materjaliprobleemid lõksu jäävate ioonide kvantarvutite jaoks. 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 ja WD Oliver. Ülijuhtivad kubitid: hetkeseis. Annu. Rev. 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 ja TH Taminiau. Kümne kubitine tahkis-spinregister kvantmäluga kuni üks 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 ja F. Nori. Looduslikud ja tehisaatomid kvantarvutusteks. Vaba Prog. Phys., 74 (10): 104401, september 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 ja F. Kuemmeth. Pooljuhtide kubitid praktikas. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Viidatud: 91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch ja I. Kaminer. Vabade elektronide kubitid. Ann. Phys., 533 (2): 2000254, 2021. 10.1002/​jap.202000254.
https://​/​doi.org/​10.1002/​andp.202000254

[28] R. Ruimy, A. Gorlach, C. Mechel, N. Rivera ja I. Kaminer. Aatomi eraldusvõimega kvantmõõtmised sidusa kujuga vabade elektronidega. Phys. Rev. Lett., 126 (23): 233403, juuni 2021. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov ja P. Baum. Vabade elektronide kubitid ja maksimaalse kontrastsusega attosekundilised impulsid ajalise talboti taaselustamisega. Phys. Rev. Research, 3 (4): 043033, okt 2021. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevresearch.3.043033

[30] S. Löffler. Ühtsed kaheolekulised kvantoperaatorid, mis on realiseeritud elektronmikroskoobi kvadrupoolväljade abil. Ultramikroskoopia, 234: 113456, 2022. 10.1016/j.ultramic.2021.113456.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113456

[31] P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach ja J. Verbeeck. Uudne keerisegeneraator ja elektronkiirte režiimimuundur. 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 ja P. Schattschneider. $pi/​2$ keeriserežiimi muunduri eksperimentaalne teostus elektronide jaoks, kasutades sfäärilise aberratsiooni korrigeerijat. Ultramikroskoopia, 229: 113340, 2021. 10.1016/j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karlovets. Relativistlikud pööriselektronid: Paraksiaalsed versus mitteparaksiaalsed režiimid. Phys. Rev. A, 98: 012137, juuli 2018. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati ja J. Verbeeck. Orbiidi nurkimpulsi kvantitatiivne mõõtmine elektronmikroskoopias. Füüsiline ülevaade A – Aatomi-, molekulaar- ja optiline füüsika, 89 (5): 053818, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.053818.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.89.053818

[35] G. Guzzinati, L. Clark, A. Béché ja J. Verbeeck. Elektronkiirte orbiidi nurkimpulsi mõõtmine. Füüsiline ülevaade A – Aatomi-, molekulaar- ja optiline füüsika, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMorran, TR Harvey ja MPJ Lavery. Vaba elektronide orbiidi nurkimpulsi tõhus sorteerimine. 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 ja E. Karimi. Elektronkiire orbiidi nurkimpulsi spektri mõõtmine. 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 ja RE Dunin-Borkowski. Elektrostaatiliste faasielementide projekteerimine elektronide orbiidi nurkmomendi sorteerimiseks. Ultramikroskoopia, 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 ja V. Grillo. Elektrostaatilise orbitaalse nurkmomendi sorteerija eksperimentaalne demonstratsioon elektronkiirte jaoks. Phys. Rev. Lett., 126 (9): 094802, märts 2021. 10.1103/​physrevlett.126.094802.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen ja MJ Padgett. Valguse orbiidi nurkmomendi olekute tõhus sorteerimine. 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 ja P. Schattschneider. π/​2 režiimi muundurid ja pöörisgeneraatorid elektronide jaoks. Ultramikroskoopia, 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 ja J. Verbeeck. Magnetiline monopoolväli, mida eksponeerivad elektronid. Nat. Phys., 10 (1): 26–29, detsember 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 ja D. Gerthsen. Oksiidivabad $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ faasiplaadid ülekandeelektronmikroskoopia jaoks. Ultramikroskoopia, 189: 39–45, juuni 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 ja J. Verbeeck. Paraksiaalselt hajutatud elektronpööriste kiirte topoloogiline analüüs. Phys. Rev. A, 87: 033834, märts 2013. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Kõigi poolt tõrketaluv arvutus. 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. Mõõtmisvead takerdumise abiga elektronmikroskoopias. Füüsiline ülevaade A – Aatomi-, molekulaar- ja optiline füüsika, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneider ja S. Löffler. Põimumine ja dekoherents elektronmikroskoopias. Ultramikroskoopia, 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 ja R. Feder. Põimumine ja entroopia elektronide ja elektronide hajumises. 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 ja C. Ropers. Coulombi korrelatsiooniga elektronide arvu olekud ülekandeelektronmikroskoobikiires. Loodusfüüsika, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl ja P. Hommelhoff. Vähesed elektronkorrelatsioonid pärast ülikiire fotoemissiooni nanomeetrilistest nõelaotstest. Loodusfüüsika, 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 ja P. Haslinger. Koherentse ja mittekoherentse katodoluminestsentsi eristamine ajaliste footonkorrelatsioonide abil. Ultramikroskoopia, 241: 113594, nov 2022. 10.1016/j.ultramic.2022.113594.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

[52] A. Konečná, F. Iyikanat ja FJ García de Abajo. Vabade elektronide ja optiliste ergastuste põimumine. Sci. Adv., 8 (47): eabo7853, nov 2022. 10.1126/sciadv.abo7853.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack ja T. Schachinger. Kiirete elektronpööriste elastne levik läbi amorfsete materjalide. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https://​/​doi.org/​10.1107/​S2053273319012889

Viidatud

Ajatempel:

Veel alates Quantum Journal