یک دروازه منطقی کوانتومی برای الکترون های آزاد

یک دروازه منطقی کوانتومی برای الکترون های آزاد

گره منبع: 2768981

استفان لوفلر1، توماس شاچینگر1,2، پیتر هارتل3، پنگ هان لو4,5رافال ای. دونین-بورکوفسکی4مارتین اوبرمیر6، مانوئل دریس6، داگمار گرتسن6، و پیتر شاتشنایدر1,2

1مرکز خدمات دانشگاهی برای میکروسکوپ الکترونی انتقالی، TU Wien، Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02، 1040 Wien، اتریش
2موسسه فیزیک حالت جامد، TU Wien، Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03، 1040 Wien، اتریش
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Germany
4Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons (ER-C) and Peter Grünberg Institute, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Germany
5RWTH دانشگاه آخن، Ahornstraße 55، 52074 Aachen، آلمان
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Germany

این مقاله را جالب می دانید یا می خواهید بحث کنید؟ SciRate را ذکر کنید یا در SciRate نظر بدهید.

چکیده

بار توپولوژیکی $m$ الکترون‌های گردابی فضای بی‌بعدی هیلبرت را می‌پوشاند. با انتخاب یک زیرفضای دوبعدی با گستره $m=pm 1$، یک الکترون پرتو در یک میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) را می توان به عنوان یک بیت کوانتومی (کیوبیت) در نظر گرفت که آزادانه در ستون منتشر می شود. ترکیبی از لنزهای چهار قطبی نوری الکترونی می تواند به عنوان یک دستگاه جهانی برای دستکاری چنین کیوبیت هایی به صلاحدید آزمایشگر عمل کند. ما یک سیستم لنز تشکیل دهنده پروب TEM را به عنوان یک دروازه کوانتومی راه اندازی کردیم و عملکرد آن را به صورت عددی و تجربی نشان دادیم. TEM های پیشرفته با تصحیح کننده های انحراف، یک پلت فرم امیدوارکننده برای چنین آزمایش هایی هستند که راه را برای مطالعه دروازه های منطق کوانتومی در میکروسکوپ الکترونی باز می کنند.

این آزمایش اثبات اصل نشان می‌دهد که الکترون‌های آزاد در یک میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) می‌توانند به عنوان کیوبیت، بلوک‌های سازنده رایانه‌های کوانتومی استفاده شوند. ما یک گیت منطقی کوانتومی را نشان می دهیم که می تواند این کیوبیت ها را از یک حالت به حالت دیگر تبدیل کند. با وضوح فضایی تا ابعاد اتمی، TEM برای مطالعه اصول دستکاری کوانتومی مناسب است. علاوه بر کاربردهای احتمالی در محاسبات کوانتومی، این مطالعه همچنین راه را برای بهبود قابل توجه کارایی TEM با تبدیل پرتو الکترونی به حالت کوانتومی بهینه برای یک آزمایش مشخص هموار می‌کند.

► داده های BibTeX

◄ مراجع

[1] E. Rotunno، AH Tovabi، E. Yucelen، S. Frabboni، RE ​​Dunin Borkowski، E. Karimi، BJ McMorran و V. Grillo. شکل دهی پرتو الکترونی در میکروسکوپ الکترونی عبوری: کنترل انتشار پرتو الکترون در طول ستون های اتمی فیزیک Rev. Appl., 11 (4): 044072, April 2019. 10.1103/​physrevapplied.11.044072.
https://doi.org/​10.1103/​physrevapplied.11.044072

[2] جی. همر، اس. توماس، پی. وبر و پی. هوملهوف. تقسیم کننده پرتو مبتنی بر تراشه مایکروویو برای الکترون های هدایت شونده با انرژی پایین. فیزیک 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، و P. Schattschneider. EMCD با فیلتر گرداب الکترونی: محدودیت ها و احتمالات 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، و G. Van Tendeloo. چگونه نانوذرات را با پرتو الکترونی دستکاری کنیم؟ Adv. Mater., 25 (8): 1114-1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https://doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold، L. Allen و M. Padgett. پیشرفت در تکانه زاویه ای نوری. 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, and A. Zeilinger. دروازه‌های کوانتومی تک فوتونی با ابعاد بالا: مفاهیم و آزمایش‌ها فیزیک 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 و J. Verbeeck. استفاده از پرتوهای گرداب الکترونی برای تعیین کایرالیته کریستال ها در میکروسکوپ الکترونی عبوری فیزیک 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، و F. Carbone. کنترل همدوس آتوثانیه ای توابع موج الکترون آزاد با استفاده از میدان های نوری نیمه نامتناهی نات. 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، و C. Ropers. مدولاسیون فاز نوری همدوس کوانتومی در یک میکروسکوپ الکترونی عبوری فوق سریع 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، و P. Baum. کنترل تمام نوری و مترولوژی پالس های الکترونی. 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, and P. Hommelhoff. تولید و توصیف قطارهای پالس الکترون میکروبونچ شده آتوثانیه از طریق شتاب لیزر دی الکتریک فیزیک 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، و F. Nori. دینامیک نیمه کلاسیک حالت های بسته موج الکترونی با گردابه های فاز. فیزیک Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh، MR Dennis، و F. Nori. پرتوهای گرداب الکترونی نسبیتی: تکانه زاویه ای و اندرکنش مدار-مدار. فیزیک Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.174802.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck، H. Tian، و P. Schattschneider. تولید و کاربرد پرتوهای گرداب الکترونی. Nature, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/​nature09366.
https://doi.org/​10.1038/​nature09366

[15] M. Uchida و A. Tonomura. تولید پرتوهای الکترونی حامل تکانه زاویه ای مداری. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/​nature08904.
https://doi.org/​10.1038/​nature08904

[16] KY Bliokh، P. Schattschneider، J. Verbeeck، و F. Nori. پرتوهای گرداب الکترونی در یک میدان مغناطیسی: پیچشی جدید در سطوح لاندو و حالات آهارونوف-بوم. فیزیک 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، و F. Nori. تصویربرداری از دینامیک حالات لاندو با الکترون آزاد نات. Commun., 5: 4586, August 2014. 10.1038/​ncomms5586.
https://doi.org/10.1038/ncomms5586

[18] G. Guzzinati، P. Schattschneider، KY Bliokh، F. Nori، و J. Verbeeck. مشاهده چرخش های Larmor و Gouy با پرتوهای گرداب الکترونی. فیزیک Rev. Lett., 110: 093601, فوریه 2013. 10.1103/​PhysRevLett.110.093601.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger، S. Löffler، M. Stöger-Pollach، و P. Schattschneider. چرخش عجیب پرتوهای گرداب الکترونی. اولترا میکروسکوپی، 158: 17–25، نوامبر 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، و J. Verbeeck. تئوری و کاربردهای حالت‌های گرداب الکترون آزاد. فیزیک 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، و UL Andersen. تولید قطعی یک حالت خوشه ای دو بعدی. Science, 366 (6463): 369-372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https://doi.org/​10.1126/​science.aay4354

[22] KR Brown، J. Chiaverini، JM Sage، و H. Häffner. چالش های مواد برای کامپیوترهای کوانتومی یون به دام افتاده نات. 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. وانگ، اس. گوستاوسون، و دبلیو دی الیور. کیوبیت های ابررسانا: وضعیت فعلی بازی. آنو. کشیش کاندن. مامان ص.، 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، و TH Taminiau. یک رجیستر اسپین حالت جامد ده کیوبیتی با حافظه کوانتومی تا یک دقیقه. فیزیک Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta، S. Ashhab، و F. Nori. اتم های طبیعی و مصنوعی برای محاسبات کوانتومی 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، و F. Kuemmeth. کیوبیت های نیمه هادی در عمل Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. به نقل از :91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt، C. Mechel، M. Lynch، و I. Kaminer. کیوبیت های الکترون آزاد ان Phys., 533 (2): 2000254, 2021. 10.1002/​andp.202000254.
https://doi.org/​10.1002/​andp.202000254

[28] R. Ruimy، A. Gorlach، C. Mechel، N. Rivera، و I. Kaminer. به سمت اندازه‌گیری‌های کوانتومی با وضوح اتمی با الکترون‌های آزاد منسجم. فیزیک 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 و P. Baum. کیوبیت‌های الکترون آزاد و پالس‌های آتوثانیه‌ای با حداکثر کنتراست از طریق احیاهای موقت تالبوت. فیزیک Rev. Research, 3 (4): 043033, oct 2021. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https://doi.org/​10.1103/​physrevresearch.3.043033

[30] اس. لوفلر. عملگرهای کوانتومی دو حالته که توسط میدان‌های چهارقطبی در میکروسکوپ الکترونی شناسایی می‌شوند. 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 و J. Verbeeck. مولد گرداب جدید و مبدل حالت برای پرتوهای الکترونی. فیزیک 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 و P. Schattschneider. تحقق تجربی مبدل حالت گردابی $pi/​2$ برای الکترون ها با استفاده از یک تصحیح کننده انحراف کروی. Ultramicroscopy, 229: 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https://doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karlovets. الکترون های گرداب نسبیتی: رژیم های پاراکسیال در مقابل غیرپاراکسیال. فیزیک Rev. A, 98: 012137, Jul 2018. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark، A. Béché، G. Guzzinati و J. Verbeeck. اندازه گیری کمی تکانه زاویه ای مداری در میکروسکوپ الکترونی 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، و J. Verbeeck. اندازه گیری تکانه زاویه ای مداری پرتوهای الکترونی. بررسی فیزیکی A – فیزیک اتمی، مولکولی و نوری، 89 (2): 025803، 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.89.025803

[36] بی جی مک موران، تی آر هاروی و ام پی جی لاوری. مرتب سازی کارآمد تکانه زاویه ای مداری الکترون آزاد. New J. Phys., 19 (2): 023053, 2017. 10.1088/​1367-2630/​aa5f6f.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aa5f6f

[37] V. Grillo, AH Tuvabi, F. Venturi, H. Larocque, R. Balboni, GC Gazzadi, S. Frabboni, P. لو، ای. مفاخری، اف. بوچارد، RE Dunin-Borkowski، RW Boyd، MPJ Lavery، MJ Padgett و E. Karimi. اندازه گیری طیف تکانه زاویه ای مداری یک پرتو الکترونی. نات. Commun., 8: 15536, 2017. 10.1038/​ncomms15536.
https://doi.org/10.1038/ncomms15536

[38] G. Pozzi، V. Grillo، P. Lu، AH Tovabi، E. Karimi و RE Dunin-Borkowski. طراحی عناصر فاز الکترواستاتیک برای مرتب سازی تکانه زاویه ای مداری الکترون ها. Ultramicroscopy, 208: 112861, 2020. 10.1016/​j.ultramic.2019.112861.
https://doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2019.112861

[39] AH Tuvabi, 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 و V. Grillo. نمایش تجربی یک مرتب‌کننده تکانه زاویه‌ای مداری الکترواستاتیک برای پرتوهای الکترونی. فیزیک 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، و MJ Padgett. مرتب‌سازی کارآمد حالت‌های تکانه زاویه‌ای مداری نور. فیزیک 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 و P. Schattschneider. مبدل های حالت π/2 و مولدهای گردابی برای الکترون ها. اولترامیکروسکوپی، 204: 27–33، سپتامبر 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، و J. Verbeeck. میدان تک قطبی مغناطیسی در معرض الکترون ها. نات. 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 و D. Gerthsen. صفحات فاز بدون اکسید $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ برای میکروسکوپ الکترونی عبوری. اولترا میکروسکوپی، 189: 39–45، ژوئن 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، و J. Verbeeck. تجزیه و تحلیل توپولوژیکی پرتوهای گرداب الکترونی پراکنده پاراکسی فیزیک Rev. A, 87: 033834, March 2013. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.87.033834

[45] ای کیتایف. محاسبه تحمل خطا توسط هر کسی. ان Phys., 303: 2-30, 2003. 10.1016/​S0003-4916(02)00018-0.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00018-0

[46] اچ. اوکاموتو. خطاهای اندازه گیری در میکروسکوپ الکترونی به کمک درهم تنیدگی بررسی فیزیکی A – فیزیک اتمی، مولکولی و نوری، 89 (6): 063828، 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneider و S. Löffler. درهم تنیدگی و ناپیوستگی در میکروسکوپ الکترونی 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 و R. Feder. درهم تنیدگی و آنتروپی در پراکندگی الکترون-الکترون J. طیف الکترونی. مرتبط. 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، و C. Ropers. حالت های عدد الکترونی مرتبط با کولن در یک پرتو میکروسکوپ الکترونی عبوری. فیزیک طبیعت، 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier، J. Heimerl و P. Hommelhoff. همبستگی های چند الکترونی پس از انتشار نور فوق سریع از نوک سوزن های نانومتریک. فیزیک طبیعت، 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 و P. Haslinger. تمایز کاتدولومینسانس منسجم و نامنسجم با استفاده از همبستگی فوتون های زمانی 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، و FJ García de Abajo. درهم‌تنیدگی الکترون‌های آزاد و برانگیختگی‌های نوری. علمی Adv., 8 (47): eabo7853, nov 2022. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https://doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] اس. لوفلر، اس. ساک و تی. شاچینگر. انتشار الاستیک گرداب های الکترون سریع از طریق مواد بی شکل Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https://doi.org/​10.1107/​S2053273319012889

ذکر شده توسط

تمبر زمان:

بیشتر از مجله کوانتومی