Kvanttilogiikka portti vapaille elektroneille

Kvanttilogiikka portti vapaille elektroneille

Lähdesolmu: 2768981

Stefan Löffler1, Thomas Schachinger1,2, Peter Hartel3, Peng-Han Lu4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski4, Martin Obermair6, Manuel Dries6, Dagmar Gerthsen6, ja Peter Schattschneider1,2

1Yliopiston siirtoelektronimikroskoopin palvelukeskus, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Itävalta
2Institute of Solid State Physics, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Itävalta
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Saksa
4Ernst Ruska - Mikroskopian ja elektronien spektroskopian keskus (ER-C) ja Peter Grünberg -instituutti, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Saksa
5RWTH Aachen University, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Saksa
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Saksa

Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.

Abstrakti

Pyörreelektronien topologinen varaus $m$ kattaa äärettömän ulottuvuuden Hilbert-avaruuden. Kun valitaan kaksiulotteinen aliavaruus, jonka kattavuus on $m=pm 1$, sädeelektronia transmissioelektronimikroskoopissa (TEM) voidaan pitää kvanttibittinä (kubitina), joka etenee vapaasti sarakkeessa. Elektronioptisten kvadrupolilinssien yhdistelmä voi toimia universaalina laitteena tällaisten kubittien manipuloimiseksi kokeilijan harkinnan mukaan. Asensimme TEM-koetinta muodostavan linssijärjestelmän kvanttiportiksi ja demonstroimme sen toimintaa numeerisesti ja kokeellisesti. Huippuluokan TEM-laitteet, joissa on poikkeamankorjaimet, ovat lupaava alusta tällaisille kokeille, mikä avaa tien kvanttilogiikan porttien tutkimiseen elektronimikroskoopissa.

Tämä periaatetodistuskoe osoittaa, että transmissioelektronimikroskoopin (TEM) vapaita elektroneja voidaan käyttää kubitteina, kvanttitietokoneiden rakennuspalikoina. Esitämme kvanttilogiikkaportin, joka voi muuntaa nämä kubitit tilasta toiseen. TEM sopii erinomaisesti kvanttimanipulaation perusteiden tutkimiseen, sillä sen resoluutio on atomimittoihin asti. Kvanttilaskennan mahdollisten sovellusten lisäksi tämä tutkimus myös tasoittaa tietä TEM:n tehokkuuden merkittävälle parantamiselle muuntamalla elektronisuihku optimaaliseen kvanttitilaan tietylle kokeelle.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran ja V. Grillo. Elektronisuihkun muotoilu transmissioelektronimikroskoopissa: Elektronisuihkun etenemisen hallinta atomipylväitä pitkin. Phys. Rev. Appl., 11 (4): 044072, huhtikuu 2019. 10.1103/fysrevapplied.11.044072.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevapplied.11.044072

[2] J. Hammer, S. Thomas, P. Weber ja P. Hommelhoff. Mikroaaltosirupohjainen säteenjakaja matalaenergisille ohjatuille elektroneille. 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 elektronipyörresuodattimella: rajoituksia ja mahdollisuuksia. Ultramikroskopia, 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. Kuinka käsitellä nanohiukkasia elektronisuihkulla? 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. Optisen kulmamomentin edistyminen. 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. Korkeadimensionaaliset yksifotonikvanttiportit: käsitteitä ja kokeita. Phys. Rev. Lett., 119: 180510, marraskuu 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. Elektronipyörresäteiden käyttäminen kiteiden kiraalisuuden määrittämiseen transmissioelektronimikroskoopissa. Phys. Rev. B, 91: 094112, maaliskuu 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. Attosekunnin koherentti vapaiden elektronien aaltofunktioiden ohjaus käyttämällä puoliäärettyjä valokenttiä. 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. Kvanttikoherentti optinen vaihemodulaatio ultranopeassa transmissioelektronimikroskoopissa. 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. Elektronipulssien täysoptinen ohjaus ja metrologia. 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. Attosekuntien mikronippujen elektronipulssijonojen generointi ja karakterisointi dielektrisen laserkiihdytyksen avulla. 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. Elektroniaaltopakettitilojen puoliklassinen dynamiikka vaihepyörteillä. 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. Relativistiset elektronipyörresäteet: Kulmamomentti ja spin-kiertoradan vuorovaikutus. 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. Elektronipyörresuihkujen valmistus ja käyttö. Nature, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] M. Uchida ja A. Tonomura. Radan kulmamomenttia kuljettavien elektronisuihkujen syntyminen. 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. Elektronipyörresäteet magneettikentässä: Uusi käänne Landau-tasoilla ja Aharonov-Bohm-tiloissa. 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. Vapaiden elektronien Landaun tilojen dynamiikan kuvaaminen. Nat. Commun., 5: 4586, elokuu 2014. 10.1038/​ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori ja J. Verbeeck. Larmor- ja Gouy-kiertojen havainnointi elektronipyörresäteillä. Phys. Rev. Lett., 110: 093601, helmikuu 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. Elektronipyörresäteiden erikoinen pyöriminen. Ultramicroscopy, 158: 17–25, marraskuu 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. Vapaiden elektronien pyörretilojen teoria ja sovellukset. 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. Kaksiulotteisen klusterin tilan deterministinen generointi. 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. Materiaalihaasteet loukkuun jääneille kvanttitietokoneille. 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. Suprajohtavat kubitit: Nykyinen pelitila. 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. Kymmenen kubitin solid-state spin-rekisteri, jossa on jopa minuutin kvanttimuisti. 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. Luonnolliset ja keinotekoiset atomit kvanttilaskentaan. Tasavalta Prog. Phys., 74 (10): 104401, syyskuu 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. Puolijohdekubitit käytännössä. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Lainaus: 91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch ja I. Kaminer. Vapaan elektronin kubitit. 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. Kohteen atomiresoluutioisia kvanttimittauksia koherentisti muotoilluilla vapailla elektroneilla. Phys. Rev. Lett., 126 (23): 233403, kesäkuu 2021. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov ja P. Baum. Vapaiden elektronien kubitit ja maksimikontrastiset attosekuntipulssit temporaalisten talbotin elvytysten kautta. Phys. Rev. Research, 3 (4): 043033, lokakuu 2021. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

[30] S. Löffler. Elektronimikroskoopin kvadrupolikentillä toteutetut yhtenäiset kaksitila-kvanttioperaattorit. Ultramikroskopia, 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. Uusi pyörregeneraattori ja moodimuunnin elektronisuihkuille. 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. $pi/​2$ pyörremoodimuuntimen kokeellinen toteutus elektroneille käyttämällä pallopoikkeaman korjaajaa. Ultramikroskopia, 229: 113340, 2021. 10.1016/j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karlovets. Relativistiset pyörreelektronit: Paraksiaaliset vs. ei-paraksiaaliset järjestelmät. Phys. Rev. A, 98: 012137, heinäkuu 2018. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati ja J. Verbeeck. Orbitaalisen kulmamomentin kvantitatiivinen mittaus elektronimikroskopiassa. 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 ja J. Verbeeck. Elektronisuihkun kiertoradan kulmamomentin mittaaminen. 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 ja MPJ Lavery. Vapaan elektronin kiertoradan kulmamomentin tehokas lajittelu. 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. Elektronisuihkun kiertoradan kulmamomenttispektrin mittaaminen. 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. Sähköstaattisten vaiheelementtien suunnittelu elektronien kiertoradan kulmamomenttien lajitteluun. Ultramikroskopia, 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. Elektronisuihkujen sähköstaattisen kiertoradan kulmamomenttilajittelijan kokeellinen esittely. Phys. Rev. Lett., 126 (9): 094802, maaliskuu 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. Valon kiertoradan kulmamomenttitilojen tehokas lajittelu. 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-moodimuuntimet ja pyörregeneraattorit elektroneille. Ultramikroskopia, 204: 27–33, syyskuu 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. Elektronien altistama magneettinen monopolikenttä. Nat. Phys., 10 (1): 26–29, joulukuuta 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. Oksidittomat $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ vaihelevyt transmissioelektronimikroskooppiin. Ultramikroskopia, 189: 39–45, kesäkuu 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. Paraksiaalisesti hajallaan olevien elektronien pyörresäteiden topologinen analyysi. Phys. Rev. A, 87: 033834, maaliskuu 2013. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Vikasietoinen laskenta kenen tahansa toimesta. 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. Mittausvirheet sotkeutumisavusteisessa elektronimikroskopiassa. 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 ja S. Löffler. Kietoutuminen ja dekoherenssi elektronimikroskopiassa. 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 ja R. Feder. Kietoutuminen ja entropia elektroni-elektroni-sironnassa. 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. Coulombin korrelaatioelektronilukutilat transmissioelektronimikroskoopissa. Nature Physics, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl ja P. Hommelhoff. Muutaman elektronin korrelaatiot nanometristen neulankärkien ultranopean fotoemission jälkeen. 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 ja P. Haslinger. Koherentin ja epäkoherentin katodiluminesenssin erottelu käyttämällä ajallisia fotonikorrelaatioita. Ultramicroscopy, 241: 113594, marraskuu 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. Vapaiden elektronien ja optisten viritteiden sotkeutuminen. Sci. Adv., 8 (47): eabo7853, marraskuu 2022. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack ja T. Schachinger. Nopeiden elektronipyörteiden elastinen eteneminen amorfisten materiaalien läpi. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Viitattu

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal