Kvantumlogikai kapu a szabad elektronokhoz

Kvantumlogikai kapu a szabad elektronokhoz

Forrás csomópont: 2768981

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

1Egyetemi Transzmissziós Elektronmikroszkópiai Szolgáltató Központ, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Ausztria
2Institute of Solid State Physics, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Ausztria
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Németország
4Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spektroscopy with Electronics (ER-C) és Peter Grünberg Institute, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Németország
5RWTH Aachen Egyetem, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Németország
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Németország

Érdekesnek találja ezt a cikket, vagy szeretne megvitatni? Scite vagy hagyjon megjegyzést a SciRate-en.

Absztrakt

Az örvényelektronok topológiai töltése $m$ egy végtelen dimenziós Hilbert-teret ível át. Egy $m=pm 1$ által átívelő kétdimenziós alteret választva a transzmissziós elektronmikroszkópban (TEM) lévő nyaláb elektron az oszlopban szabadon terjedő kvantumbitnek (qubit) tekinthető. Az elektronoptikai kvadrupol lencsék kombinációja univerzális eszközként szolgálhat az ilyen qubitek manipulálására a kísérletező belátása szerint. Kvantumkapuként felállítottunk egy TEM szondaképző lencserendszert, melynek működését numerikusan és kísérletileg is bemutatjuk. Az aberrációjavítókkal ellátott csúcskategóriás TEM-ek ígéretes platformot jelentenek az ilyen kísérletekhez, megnyitva az utat a kvantumlogikai kapuk elektronmikroszkópos vizsgálatához.

Ez az alapelv-bizonyítási kísérlet azt mutatja, hogy a transzmissziós elektronmikroszkópban (TEM) lévő szabad elektronok qubitként, a kvantumszámítógépek építőköveként használhatók. Bemutatunk egy kvantumlogikai kaput, amely képes ezeket a qubiteket egyik állapotból a másikba transzformálni. Az atomi méretekig terjedő térbeli felbontásával a TEM ideálisan alkalmas a kvantummanipuláció alapjainak tanulmányozására. A kvantumszámításban való lehetséges alkalmazások mellett ez a tanulmány a TEM hatékonyságának jelentős javítását is megnyitja azáltal, hogy az elektronnyalábot egy adott kísérlethez optimális kvantumállapotba alakítja.

► BibTeX adatok

► Referenciák

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran és V. Grillo. Elektronnyaláb alakítás transzmissziós elektronmikroszkópban: Az elektronsugár atomoszlopok mentén történő terjedésének szabályozása. Phys. Rev. Appl., 11 (4): 044072, 2019. április. 10.1103/​fizikafelújítva.11.044072.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevapplied.11.044072

[2] J. Hammer, S. Thomas, P. Weber és P. Hommelhoff. Mikrohullámú chip alapú sugárosztó alacsony energiájú irányított elektronokhoz. 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 és P. Schattschneider. EMCD elektronörvényszűrővel: korlátok és lehetőségek. Ultramikroszkópia, 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 és G. Van Tendeloo. Hogyan lehet nanorészecskéket manipulálni elektronsugárral? Adv. Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/adma.201204206.
https://​/​doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen és M. Padgett. Az optikai szögimpulzus fejlődése. 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 és A. Zeilinger. Nagy dimenziós egyfoton kvantumkapuk: fogalmak és kísérletek. Phys. Rev. Lett., 119: 180510, 2017. nov. 10.1103/​PhysRevLett.119.180510.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.180510

[7] R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumov, M. Batuk és J. Verbeeck. Elektronörvénynyalábok alkalmazása a kristályok kiralitásának meghatározására transzmissziós elektronmikroszkópiában. Phys. Rev. B, 91: 094112, 2015. március. 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 és F. Carbone. A szabadelektron hullámfüggvények attoszekundumos koherens vezérlése félvégtelen fénymezők segítségével. 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 és C. Ropers. Kvantumkoherens optikai fázismoduláció ultragyors transzmissziós elektronmikroszkópban. Nature, 521 (7551): 200–203, 2015. 10.1038/természet14463.
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature14463

[10] C. Kealhofer, W. Schneider, D. Ehberger, A. Ryabov, F. Krausz és P. Baum. Elektronimpulzusok teljes optikai vezérlése és metrológiája. 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 és P. Hommelhoff. Attoszekundumos mikrocsomós elektronimpulzussorozatok generálása és jellemzése dielektromos lézeres gyorsítással. 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 és F. Nori. Elektronhullámcsomag-állapotok félklasszikus dinamikája fázisörvényekkel. Phys. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, MR Dennis és F. Nori. Relativisztikus elektronörvénynyalábok: Szögimpulzus és spin-pálya kölcsönhatás. Phys. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.174802.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian és P. Schattschneider. Elektronörvénysugarak előállítása és alkalmazása. Nature, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/természet09366.
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature09366

[15] M. Uchida és A. Tonomura. Orbitális szögimpulzusokat hordozó elektronsugarak generálása. Nat., 464: 737–739, 04. 2010. 10.1038/nature08904.
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck és F. Nori. Elektronörvénynyalábok mágneses térben: Új fordulat a Landau-szinteken és az Aharonov-Bohm-állapotokban. 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 és F. Nori. Szabadelektronos Landau-állapotok dinamikájának leképezése. Nat. Commun., 5: 4586, 2014. augusztus. 10.1038/​ncomms5586.
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori és J. Verbeeck. A Larmor és Gouy forgások megfigyelése elektronörvénynyalábokkal. Phys. Rev. Lett., 110: 093601, 2013. február. 10.1103/​PhysRevLett.110.093601.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach és P. Schattschneider. Az elektronörvénynyalábok sajátos forgása. Ultramicroscopy, 158: 17–25, 2015. november. 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 és J. Verbeeck. A szabadelektronos örvényállapotok elmélete és alkalmazásai. 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 és UL Andersen. Kétdimenziós klaszterállapot determinisztikus generálása. Science, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage és H. Häffner. Anyagkihívások a csapdába esett kvantumszámítógépek számára. 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 és WD Oliver. Szupravezető qubitek: A jelenlegi játékállapot. 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 és TH Taminiau. Tíz qubites szilárdtest spin-regiszter akár egy perces kvantum memóriával. Phys. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab és F. Nori. Természetes és mesterséges atomok kvantumszámításhoz. Rep. Prog. Phys., 74 (10): 104401, 2011. szept. 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 és F. Kuemmeth. Félvezető qubitek a gyakorlatban. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Idézi :91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch és I. Kaminer. Szabad elektron qubitek. Ann. 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 és I. Kaminer. Az atomi felbontású kvantummérések felé koherens alakú szabad elektronokkal. Phys. Rev. Lett., 126 (23): 233403, 2021. jún. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov és P. Baum. Szabadelektron qubitek és maximális kontrasztú attoszekundumos impulzusok temporális talbot újraélesztésen keresztül. Phys. Rev. Research, 3 (4): 043033, 2021. október. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevresearch.3.043033

[30] S. Löffler. Egységes kétállapotú kvantumoperátorok, amelyeket az elektronmikroszkóp kvadrupólmezői valósítanak meg. Ultramikroszkópia, 234: 113456, 2022. 10.1016/​j.ultramic.2021.113456.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113456

[31] P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach és J. Verbeeck. Újszerű örvénygenerátor és üzemmód-átalakító elektronnyalábokhoz. 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 és P. Schattschneider. $pi/​2$ vortex módusú konverter kísérleti megvalósítása elektronokhoz gömbaberráció-korrektor segítségével. Ultramikroszkópia, 229: 113340, 2021. 10.1016/j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karlovets. Relativisztikus örvényelektronok: Paraxiális versus nem paraxiális rezsimek. Phys. Rev. A, 98: 012137, 2018. július. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati és J. Verbeeck. A pálya szögimpulzusának kvantitatív mérése elektronmikroszkóppal. Physical Review A – Atom-, 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 és J. Verbeeck. Elektronnyalábok keringési szögimpulzusának mérése. Fizikai áttekintés A – Atom-, molekuláris és optikai fizika, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMorran, TR Harvey és MPJ Lavery. A szabad elektronpálya szögimpulzusának hatékony rendezése. 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 és E. Karimi. Elektronnyaláb orbitális impulzus-spektrumának mérése. 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 és RE Dunin-Borkowski. Elektrosztatikus fáziselemek tervezése elektronok keringési szögimpulzusának rendezésére. Ultramikroszkópia, 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 és V. Grillo. Elektrosztatikus orbitális impulzusimpulzus-szortírozó kísérleti demonstrációja elektronnyalábokhoz. Phys. Rev. Lett., 126 (9): 094802, 2021. március. 10.1103/​physrevlett.126.094802.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen és MJ Padgett. A fénypálya szögimpulzus-állapotainak hatékony rendezése. 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 és P. Schattschneider. π/​2 módusú konverterek és örvénygenerátorok elektronokhoz. Ultramikroszkópia, 204: 27–33, 2019. szeptember 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 és J. Verbeeck. Az elektronok által kitett mágneses monopólustér. Nat. Phys., 10 (1): 26–29, 2013. december. 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 és D. Gerthsen. Oxidmentes $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ fázislemezek transzmissziós elektronmikroszkópiához. Ultramikroszkópia, 189: 39–45, 2018. jún. 10.1016/​j.ultramic.2018.03.003.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2018.03.003

[44] A. Lubk, L. Clark, G. Guzzinati és J. Verbeeck. Paraxiálisan szórt elektronörvénynyalábok topológiai elemzése. Phys. Rev. A, 87: 033834, 2013. március. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Hibatűrő számítás bárki által. 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. Mérési hibák az összefonódás-asszisztált elektronmikroszkópiában. Physical Review A – Atom-, Molecular and Optical Physics, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneider és S. Löffler. Összefonódás és dekoherencia elektronmikroszkópiában. Ultramikroszkópia, 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 és R. Feder. Összefonódás és entrópia elektron-elektron szórásban. 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 és C. Ropers. Coulomb-korrelált elektronszám állapotok transzmissziós elektronmikroszkóp sugárban. Természetfizika, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl és P. Hommelhoff. Kevés elektron korreláció ultragyors fotoemisszió után nanométeres tűhegyekből. Természetfizika, 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 és P. Haslinger. Koherens és inkoherens katódlumineszcencia megkülönböztetése időbeli fotonkorrelációk segítségével. Ultramikroszkópia, 241: 113594, 2022. nov. 10.1016/j.ultramic.2022.113594.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

[52] A. Konečná, F. Iyikanat és FJ García de Abajo. Szabad elektronok és optikai gerjesztések összefonódása. Sci. Adv., 8 (47): eabo7853, 2022. nov. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack és T. Schachinger. Gyors elektronörvények rugalmas terjedése amorf anyagokon keresztül. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https://​/​doi.org/​10.1107/​S2053273319012889

Idézi

Időbélyeg:

Még több Quantum Journal