Une porte logique quantique pour les électrons libres

Une porte logique quantique pour les électrons libres

Horodatage: 11 juillet 2023 4:49
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Stefan Löffler1, Thomas Schachinger1,2, Peter Hartel3, Peng-Han Lu4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski4, Martin Obermair6, Manuel Dries6, Dagmar Gerthsen6et Peter Schattschneider1,2

1Centre de services universitaire pour la microscopie électronique en transmission, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Autriche
2Institut de physique du solide, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Autriche
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Allemagne
4Ernst Ruska-Centre de microscopie et de spectroscopie électronique (ER-C) et Institut Peter Grünberg, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Allemagne
5Université RWTH d'Aix-la-Chapelle, Ahornstraße 55, 52074 Aix-la-Chapelle, Allemagne
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Allemagne

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Abstract

La charge topologique $m$ des électrons du vortex s'étend sur un espace de Hilbert de dimension infinie. En sélectionnant un sous-espace bidimensionnel couvert par $m=pm 1$, un faisceau d'électrons dans un microscope électronique à transmission (TEM) peut être considéré comme un bit quantique (qubit) se propageant librement dans la colonne. Une combinaison de lentilles quadripolaires optiques électroniques peut servir de dispositif universel pour manipuler de tels qubits à la discrétion de l'expérimentateur. Nous avons mis en place une sonde TEM formant un système de lentille comme porte quantique et démontrons son action numériquement et expérimentalement. Les TEM haut de gamme dotés de correcteurs d’aberrations constituent une plate-forme prometteuse pour de telles expériences, ouvrant la voie à l’étude des portes logiques quantiques au microscope électronique.

Image présentée : À gauche : Schéma de la configuration électro-optique. Au milieu : fonction d’onde incidente. À droite : fonction d’onde sortante transformée et distribution d’intensité expérimentale.

Résumé populaire

Cette expérience de démonstration de principe montre que les électrons libres dans un microscope électronique à transmission (TEM) peuvent être utilisés comme qubits, éléments constitutifs des ordinateurs quantiques. Nous démontrons une porte logique quantique capable de transformer ces qubits d'un état à un autre. Avec une résolution spatiale allant jusqu'aux dimensions atomiques, le TEM est parfaitement adapté à l'étude des principes fondamentaux de la manipulation quantique. Outre les applications possibles en informatique quantique, cette étude ouvre également la voie à une amélioration significative de l'efficacité du TEM en transformant le faisceau d'électrons en un état quantique optimal pour une expérience donnée.

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► Références

E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran et V. Grillo. Mise en forme du faisceau électronique au microscope électronique à transmission : contrôle de la propagation du faisceau électronique le long des colonnes atomiques. Phys. Rev. Appl., 11 (4) : 044072, avril 2019. 10.1103/​physrevapplied.11.044072.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevapplied.11.044072

J. Hammer, S. Thomas, P. Weber et P. Hommelhoff. Séparateur de faisceau basé sur une puce micro-ondes pour les électrons guidés à faible énergie. Phys. Rev. Lett., 114 (25): 254801, 2015. 10.1103/​PhysRevLett.114.254801.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.254801

T. Schachinger, S. Löffler, A. Steiger-Thirsfeld, M. Stöger-Pollach, S. Schneider, D. Pohl, B. Rellinghaus et P. Schattschneider. EMCD avec filtre vortex électronique : Limites et possibilités. Ultramicroscopie, 179 : 15–23, 2017. 10.1016/​j.ultramic.2017.03.019.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2017.03.019

J. Verbeeck, H. Tian et G. Van Tendeloo. Comment manipuler des nanoparticules avec un faisceau d'électrons ? Av. Mater., 25 (8) : 1114-1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https://​/​doi.org/​10.1002/​adma.201204206

S. Franke-Arnold, L. Allen et M. Padgett. Progrès dans le moment cinétique optique. Laser Photonics Rev., 2 (4) : 299-313, 2008. 10.1002/​lpor.200810007.
https: / / doi.org/ 10.1002 / lpor.200810007

A. Babazadeh, M. Erhard, F. Wang, M. Malik, R. Nouroozi, M. Krenn et A. Zeilinger. Portes quantiques à photon unique de haute dimension : concepts et expériences. Phys. Rev. Lett., 119 : 180510, novembre 2017. 10.1103/​PhysRevLett.119.180510.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumov, M. Batuk et J. Verbeeck. Utilisation de faisceaux de vortex électroniques pour déterminer la chiralité des cristaux en microscopie électronique à transmission. Phys. B, 91 : 094112, mars 2015. 10.1103/​PhysRevB.91.094112.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.91.094112

GM Vanacore, I. Madan, G. Berruto, K. Wang, E. Pomarico, RJ Lamb, D. McGrouther, I. Kaminer, B. Barwick, FJ Garcia De Abajo et F. Carbone. Contrôle cohérent attoseconde des fonctions d'onde des électrons libres à l'aide de champs lumineux semi-infinis. Nat. Commun., 9 (1) : 2694, 2018. 10.1038/​s41467-018-05021-x.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-05021-x

A. Feist, KE Echternkamp, ​​J. Schauss, SV Yalunin, S. Schäfer et C. Ropers. Modulation de phase optique cohérente quantique dans un microscope électronique à transmission ultrarapide. Nature, 521 (7551) : 200-203, 2015. 10.1038/​nature14463.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14463

C. Kealhofer, W. Schneider, D. Ehberger, A. Ryabov, F. Krausz et P. Baum. Contrôle tout optique et métrologie des impulsions électroniques. Science, 352 (6284) : 429-433, 2016. 10.1126/​science.aae0003.
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.aae0003

N. Schönenberger, A. Mittelbach, P. Yousefi, J. McNeur, U. Niedermayer et P. Hommelhoff. Génération et caractérisation de trains d'impulsions d'électrons microgroupés attoseconde via une accélération laser diélectrique. Phys. Rev. Lett., 123 (26): 264803, 2019. 10.1103/​PhysRevLett.123.264803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.264803

KY Bliokh, YP Bliokh, S. Savel'ev et F. Nori. Dynamique semi-classique des états de paquets d'ondes électroniques avec des vortex de phase. Phys. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

KY Bliokh, M. Dennis et F. Nori. Faisceaux de vortex électronique relativistes : moment angulaire et interaction spin-orbite. Phys. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.174802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

J. Verbeeck, H. Tian et P. Schattschneider. Production et application de faisceaux vortex d'électrons. Nature, 467 (7313) : 301-304, 2010. 10.1038/​nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

M. Uchida et A. Tonomura. Génération de faisceaux d'électrons porteurs d'un moment cinétique orbital. Nat., 464 : 737–739, 04 2010. 10.1038/​nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck et F. Nori. Faisceaux de vortex d'électrons dans un champ magnétique : une nouvelle tournure sur les niveaux de Landau et les états d'Aharonov-Bohm. Phys. X, 2 (4): 041011, 2012. 10.1103/​PhysRevX.2.041011.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.2.041011

P. Schattschneider, T. Schachinger, M. Stöger-Pollach, S. Löffler, A. Steiger-Thirsfeld, KY Bliokh et F. Nori. Imagerie de la dynamique des états de Landau à électrons libres. Nat. Commun., 5 : 4586, août 2014. 10.1038/​ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori et J. Verbeeck. Observation des rotations de Larmor et Gouy avec des faisceaux de vortex d'électrons. Phys. Rev. Lett., 110 : 093601, février 2013. 10.1103/​PhysRevLett.110.093601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.093601

T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach et P. Schattschneider. Rotation particulière des faisceaux de vortex d’électrons. Ultramicroscopie, 158 : 17-25, novembre 2015. ISSN 0304-3991. 10.1016/​j.ultramic.2015.06.004.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2015.06.004

KY Bliokh, IP Ivanov, G. Guzzinati, L. Clark, R. Van Boxem, A. Béché, R. Juchtmans, MA Alonso, P. Schattschneider, F. Nori et J. Verbeeck. Théorie et applications des états de vortex d'électrons libres. Phys. Rep., 690 : 1–70, 2017. 10.1016/​j.physrep.2017.05.006.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2017.05.006

MV Larsen, X. Guo, CR Breum, JS Neergaard-Nielsen et UL Andersen. Génération déterministe d'un état de cluster bidimensionnel. Science, 366 (6463) : 369-372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage et H. Häffner. Défis liés aux matériaux pour les ordinateurs quantiques à ions piégés. Nat. Mater., 6 (10) : 892-905, 2021. 10.1038/​s41578-021-00292-1.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41578-021-00292-1

M. Kjaergaard, ME Schwartz, J. Braumüller, P. Krantz, JI . Wang, S. Gustavsson et WD Oliver. Qubits supraconducteurs : état des lieux actuel. Ann. Révérend Conden. Maman. P., 11 : 369-395, 2020. 10.1146/​annurev-conmatphys-031119-050605.
https: / / doi.org/ 10.1146 / annurev-conmatphys-031119-050605

CE Bradley, J. Randall, MH Abobeih, RC Berrevoets, MJ Degen, MA Bakker, M. Markham, DJ Twitchen et TH Taminiau. Un registre de rotation à semi-conducteurs de dix qubits avec une mémoire quantique jusqu'à une minute. Phys. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

I. Buluta, S. Ashhab et F. Nori. Atomes naturels et artificiels pour le calcul quantique. Rép. Prog. Phys., 74 (10) : 104401, septembre 2011. 10.1088/​0034-4885/​74/​10/​104401.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​74/​10/​104401

A. Chatterjee, P. Stevenson, S. De Franceschi, A. Morello, NP de Leon et F. Kuemmeth. Les qubits semi-conducteurs en pratique. Nature Reviews Physics, 3 (3) : 157-177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Cité par :91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch et I. Kaminer. Qubits d'électrons libres. Anne. Phys., 533 (2) : 2000254, 2021. 10.1002/​andp.202000254.
https: / / doi.org/ 10.1002 / andp.202000254

R. Ruimy, A. Gorlach, C. Mechel, N. Rivera et I. Kaminer. Vers des mesures quantiques à résolution atomique avec des électrons libres de forme cohérente. Phys. Rev. Lett., 126 (23): 233403, juin 2021. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

MV Tsarev, A. Ryabov et P. Baum. Qubits d'électrons libres et impulsions attosecondes à contraste maximal via des relances temporelles de Talbot. Phys. Rev. Research, 3 (4) : 043033, octobre 2021. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

S. Löffler. Opérateurs quantiques unitaires à deux états réalisés par champs quadripolaires au microscope électronique. Ultramicroscopie, 234 : 113456, 2022. 10.1016/​j.ultramic.2021.113456.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113456

P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach et J. Verbeeck. Nouveau générateur de vortex et convertisseur de mode pour faisceaux d'électrons. Phys. Rev. Lett., 109 (8): 084801, 2012. 10.1103/​PhysRevLett.109.084801.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.084801

T. Schachinger, P. Hartel, P. Lu, S. Löffler, M. Obermair, M. Dries, D. Gerthsen, RE Dunin-Borkowski et P. Schattschneider. Réalisation expérimentale d'un convertisseur de mode vortex $pi/​2$ pour électrons utilisant un correcteur d'aberration sphérique. Ultramicroscopie, 229 : 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

D. Karlovets. Électrons de vortex relativistes : régimes paraxiaux et non paraxiaux. Phys. A, 98 : 012137, juillet 2018. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati et J. Verbeeck. Mesure quantitative du moment cinétique orbital en microscopie électronique. Revue physique A – Physique atomique, moléculaire et optique, 89 (5) : 053818, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.053818.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.053818

G. Guzzinati, L. Clark, A. Béché et J. Verbeeck. Mesure du moment cinétique orbital des faisceaux d'électrons. Revue physique A – Physique atomique, moléculaire et optique, 89 (2) : 025803, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.025803

BJ McMorran, TR Harvey et MPJ Lavery. Tri efficace du moment cinétique orbital des électrons libres. New J. Phys., 19 (2): 023053, 2017. 10.1088/​1367-2630/​aa5f6f.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aa5f6f

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 et E. Karimi. Mesure du spectre du moment cinétique orbital d'un faisceau d'électrons. Nat. Commun., 8 : 15536, 2017. 10.1038/​ncomms15536.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms15536

G. Pozzi, V. Grillo, P. Lu, AH Tavabi, E. Karimi et RE Dunin-Borkowski. Conception d'éléments de phase électrostatique pour trier le moment cinétique orbital des électrons. Ultramicroscopie, 208 : 112861, 2020. 10.1016/​j.ultramic.2019.112861.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2019.112861

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 et V. Grillo. Démonstration expérimentale d'un trieur électrostatique à moment cinétique orbital pour faisceaux d'électrons. Phys. Rev. Lett., 126 (9): 094802, mars 2021. 10.1103/​physrevlett.126.094802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.094802

GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen et MJ Padgett. Tri efficace des états de moment cinétique orbital de la lumière. Phys. Rev. Lett., 105 (15): 153601, 2010. 10.1103/​PhysRevLett.105.153601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.153601

C. Kramberger, S. Löffler, T. Schachinger, P. Hartel, J. Zach et P. Schattschneider. Convertisseurs de mode π/​2 et générateurs de vortex pour électrons. Ultramicroscopy, 204 : 27-33, septembre 2019. 10.1016/​j.ultramic.2019.05.003.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2019.05.003

A. Béché, R. Van Boxem, G. Van Tendeloo et J. Verbeeck. Champ magnétique monopôle exposé par les électrons. Nat. Phys., 10 (1) : 26-29, décembre 2013. ISSN 1745-2481. 10.1038/​nphys2816.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2816

M. Dries, M. Obermair, S. Hettler, P. Hermann, K. Seemann, F. Seifried, S. Ulrich, R. Fischer et D. Gerthsen. Plaques de phase $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ sans oxyde pour la microscopie électronique à transmission. Ultramicroscopy, 189 : 39–45, juin 2018. 10.1016/​j.ultramic.2018.03.003.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2018.03.003

A. Lubk, L. Clark, G. Guzzinati et J. Verbeeck. Analyse topologique de faisceaux de vortex d'électrons diffusés paraxialement. Phys. A, 87 : 033834, mars 2013. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

AY Kitaïev. Calcul tolérant aux pannes par anyons. Anne. Phys., 303 : 2–30, 2003. 10.1016/​S0003-4916(02)00018-0.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00018-0

H.Okamoto. Erreurs de mesure en microscopie électronique assistée par intrication. Revue physique A – Physique atomique, moléculaire et optique, 89 (6) : 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.063828

P. Schattschneider et S. Löffler. Intrication et décohérence en microscopie électronique. Ultramicroscopie, 190 : 39–44, 2018. 10.1016/​j.ultramic.2018.04.007.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2018.04.007

P. Schattschneider, S. Löffler, H. Gollisch et R. Feder. Intrication et entropie dans la diffusion électron-électron. J. Spectroscopie électronique. Relat. Phenom., 241 : 146810, 2020. 10.1016/​j.elspec.2018.11.009.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.elspec.2018.11.009

R. Haindl, A. Feist, T. Domröse, M. Möller, JH Gaida, SV Yalunin et C. Ropers. États du nombre d'électrons corrélés à Coulomb dans un faisceau de microscope électronique à transmission. Physique de la nature, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

S. Meier, J. Heimerl et P. Hommelhoff. Corrélations de quelques électrons après photoémission ultrarapide à partir de pointes d'aiguilles nanométriques. Physique de la nature, 2023. 10.1038/​s41567-023-02059-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02059-7

M. Scheucher, T. Schachinger, T. Spielauer, M. Stöger-Pollach et P. Haslinger. Discrimination des cathodoluminescences cohérentes et incohérentes à l'aide de corrélations temporelles de photons. Ultramicroscopy, 241 : 113594, nov. 2022. 10.1016/​j.ultramic.2022.113594.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

A. Konečná, F. Iyikanat et FJ García de Abajo. Enchevêtrement d'électrons libres et d'excitations optiques. Sci. Adv., 8 (47) : eabo7853, nov. 2022. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

S. Löffler, S. Sack et T. Schachinger. Propagation élastique de vortex électroniques rapides à travers des matériaux amorphes. Acta Crystallogr. A, 75 (6) : 902-910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

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