Gerbang logika kuantum untuk elektron bebas

Gerbang logika kuantum untuk elektron bebas

Node Sumber: 2768981

Stefan Löffler1, Thomas Schachinger1,2, Peter Hartel3, Peng-Han Lu4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski4, Martin Obermair6, Manuel Mengering6, Dagmar Gerthsen6, dan Peter Schattschneider1,2

1Pusat Layanan Universitas untuk Mikroskop Elektron Transmisi, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Austria
2Institut Fisika Benda Padat, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Austria
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Jerman
4Ernst Ruska-Pusat Mikroskopi dan Spektroskopi dengan Elektron (ER-C) dan Institut Peter Grünberg, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Jerman
5Universitas RWTH Aachen, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Jerman
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Jerman

Apakah makalah ini menarik atau ingin dibahas? Scite atau tinggalkan komentar di SciRate.

Abstrak

Muatan topologi $m$ elektron pusaran mencakup ruang Hilbert berdimensi tak terbatas. Memilih subruang dua dimensi yang direntang oleh $m=pm 1$, berkas elektron dalam mikroskop elektron transmisi (TEM) dapat dianggap sebagai bit kuantum (qubit) yang merambat bebas di kolom. Kombinasi lensa quadrupole optik elektron dapat berfungsi sebagai perangkat universal untuk memanipulasi qubit tersebut sesuai kebijaksanaan pelaku eksperimen. Kami menyiapkan sistem lensa pembentuk probe TEM sebagai gerbang kuantum dan mendemonstrasikan aksinya secara numerik dan eksperimental. TEM kelas atas dengan korektor aberasi adalah platform yang menjanjikan untuk eksperimen semacam itu, membuka jalan untuk mempelajari gerbang logika kuantum di mikroskop elektron.

Eksperimen pembuktian prinsip ini menunjukkan bahwa elektron bebas dalam mikroskop elektron transmisi (TEM) dapat digunakan sebagai qubit, bahan penyusun komputer kuantum. Kami mendemonstrasikan gerbang logika kuantum yang dapat mengubah qubit ini dari satu keadaan ke keadaan lainnya. Dengan resolusi spasial hingga dimensi atom, TEM cocok untuk mempelajari dasar-dasar manipulasi kuantum. Selain kemungkinan penerapan dalam komputasi kuantum, penelitian ini juga membuka jalan untuk meningkatkan efisiensi TEM secara signifikan dengan mengubah berkas elektron menjadi keadaan kuantum optimal untuk eksperimen tertentu.

► data BibTeX

► Referensi

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran, dan V. Grillo. Pembentukan berkas elektron dalam mikroskop elektron transmisi: Kontrol perambatan berkas elektron di sepanjang kolom atom. Fis. Rev. Appl., 11 (4): 044072, April 2019. 10.1103/​physrevapplied.11.044072.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevapplied.11.044072

[2] J. Hammer, S. Thomas, P. Weber, dan P. Hommelhoff. Pemisah sinar berbasis chip microwave untuk elektron terpandu berenergi rendah. Fis. Pendeta 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, dan P. Schattschneider. EMCD dengan filter pusaran elektron: Keterbatasan dan kemungkinan. Ultramikroskopi, 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, ​​​​dan G. Van Tendeloo. Bagaimana cara memanipulasi nanopartikel dengan berkas elektron? Adv. Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https://​/​doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen, dan M. Padgett. Kemajuan dalam momentum sudut optik. Laser Fotonik 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, dan A. Zeilinger. Gerbang kuantum foton tunggal berdimensi tinggi: Konsep dan eksperimen. Fis. Pendeta Lett., 119: 180510, November 2017. 10.1103/​PhysRevLett.119.180510.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[7] R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumov, M. Batuk, dan J. Verbeeck. Menggunakan berkas pusaran elektron untuk menentukan kiralitas kristal dalam mikroskop elektron transmisi. Fis. Pendeta B, 91: 094112, Maret 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, dan F. Carbone. Kontrol koheren attodetik dari fungsi gelombang elektron bebas menggunakan medan cahaya semi tak terbatas. Nat. Kommun., 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, dan C. Ropers. Modulasi fase optik koheren kuantum dalam mikroskop elektron transmisi ultracepat. Alam, 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, dan P. Baum. Kontrol serba optik dan metrologi pulsa elektron. Sains, 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, dan P. Hommelhoff. Pembangkitan dan karakterisasi rangkaian pulsa elektron mikrobunched attodetik melalui akselerasi laser dielektrik. Fis. Pendeta 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, dan F. Nori. Dinamika semiklasik keadaan paket gelombang elektron dengan pusaran fase. Fis. Pendeta Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, MR Dennis, dan F. Nori. Berkas pusaran elektron relativistik: Momentum sudut dan interaksi spin-orbit. Fis. Pendeta Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.174802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian, ​​​​dan P. Schattschneider. Produksi dan penerapan berkas pusaran elektron. Alam, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/​nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] M. Uchida dan A. Tonomura. Generasi berkas elektron yang membawa momentum sudut orbital. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/​nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck, dan F. Nori. Sinar pusaran elektron dalam medan magnet: Perubahan baru pada tingkat Landau dan keadaan Aharonov-Bohm. Fis. Pdt. 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, dan F. Nori. Mencitrakan dinamika keadaan Landau elektron bebas. Nat. Commun., 5: 4586, Agustus 2014. 10.1038/​ncomms5586.
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori, dan J. Verbeeck. Pengamatan Rotasi Larmor dan Gouy dengan Berkas Pusaran Elektron. Fis. Pendeta Lett., 110: 093601, Februari 2013. 10.1103/​PhysRevLett.110.093601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach, dan P. Schattschneider. Rotasi aneh berkas pusaran elektron. Ultramikroskopi, 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, dan J. Verbeeck. Teori dan penerapan keadaan pusaran elektron bebas. Fis. 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, dan UL Andersen. Generasi deterministik dari keadaan cluster dua dimensi. Sains, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage, dan H. Häffner. Tantangan material untuk komputer kuantum ion yang terperangkap. Nat. Pendeta 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, dan WD Oliver. Qubit superkonduktor: Keadaan permainan saat ini. Ann. Pendeta Conden. Bu. 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, dan TH Taminiau. Register putaran solid-state sepuluh qubit dengan memori kuantum hingga satu menit. Fis. Pdt. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab, dan F. Nori. Atom alami dan buatan untuk komputasi kuantum. Rep.Prog. Fis., 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, dan F. Kuemmeth. Qubit semikonduktor dalam praktiknya. Tinjauan Alam Fisika, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Dikutip Oleh :91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch, dan I. Kaminer. Qubit elektron bebas. Ann. Fis., 533 (2): 2000254, 2021. 10.1002/​andp.202000254.
https: / / doi.org/ 10.1002 / andp.202000254

[28] R. Ruimy, A. Gorlach, C. Mechel, N. Rivera, dan I. Kaminer. Menuju pengukuran kuantum resolusi atom dengan elektron bebas yang berbentuk koheren. Fis. Pendeta Lett., 126 (23): 233403, juni 2021. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov, dan P. Baum. Qubit elektron bebas dan pulsa attodetik kontras maksimum melalui kebangkitan talbot temporal. Fis. Rev. Research, 3 (4): 043033, oktober 2021. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

[30] S.Löffler. Operator kuantum dua keadaan kesatuan yang diwujudkan oleh medan kuadrupol di mikroskop elektron. Ultramikroskopi, 234: 113456, 2022. 10.1016/​j.ultramic.2021.113456.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113456

[31] P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach, dan J. Verbeeck. Generator pusaran baru dan konverter mode untuk berkas elektron. Fis. Pendeta 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, dan P. Schattschneider. Realisasi eksperimental konverter mode pusaran $pi/​2$ untuk elektron menggunakan korektor aberasi bola. Ultramikroskopi, 229: 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karlovets. Elektron pusaran relativistik: Rezim paraksial versus nonparaksial. Fis. Rev.A, 98: 012137, Juli 2018. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati, dan J. Verbeeck. Pengukuran kuantitatif momentum sudut orbital dalam mikroskop elektron. Tinjauan Fisika A – Fisika Atom, Molekuler, dan Optik, 89 (5): 053818, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.053818.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.053818

[35] G. Guzzinati, L. Clark, A. Béché, dan J. Verbeeck. Mengukur momentum sudut orbital berkas elektron. Tinjauan Fisika A – Fisika Atom, Molekuler, dan Optik, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMorran, TR Harvey, dan MPJ Lavery. Penyortiran momentum sudut orbital elektron bebas yang efisien. J. Phys. Baru, 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, dan E. Karimi. Mengukur spektrum momentum sudut orbital berkas elektron. Nat. Kommun., 8: 15536, 2017. 10.1038/​ncomms15536.
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms15536

[38] G. Pozzi, V. Grillo, P. Lu, AH Tavabi, E. Karimi, dan RE Dunin-Borkowski. Desain elemen fase elektrostatik untuk mengurutkan momentum sudut orbital elektron. Ultramikroskopi, 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, dan V. Grillo. Demonstrasi eksperimental penyortir momentum sudut orbital elektrostatik untuk berkas elektron. Fis. Pendeta Lett., 126 (9): 094802, Maret 2021. 10.1103/​physrevlett.126.094802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen, dan MJ Padgett. Penyortiran keadaan momentum sudut orbital cahaya yang efisien. Fis. Pendeta 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, dan P. Schattschneider. Konverter mode π/​2 dan generator pusaran untuk elektron. Ultramikroskopi, 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, dan J. Verbeeck. Medan monopole magnet dipaparkan oleh elektron. Nat. Fis., 10 (1): 26–29, Desember 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, dan D. Gerthsen. Pelat fase $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ bebas oksida untuk mikroskop elektron transmisi. Ultramikroskopi, 189: 39–45, Juni 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, dan J. Verbeeck. Analisis topologi berkas pusaran elektron yang tersebar secara paraksial. Fis. Rev.A, 87: 033834, Maret 2013. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Komputasi yang toleran terhadap kesalahan oleh siapa pun. Ann. Fisika, 303: 2–30, 2003. 10.1016/​S0003-4916(02)00018-0.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00018-0

[46] H.Okamoto. Kesalahan pengukuran dalam mikroskop elektron berbantuan keterjeratan. Tinjauan Fisika A – Fisika Atom, Molekuler, dan Optik, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneider dan S. Löffler. Keterikatan dan dekoherensi dalam mikroskop elektron. Ultramikroskopi, 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, dan R. Feder. Keterikatan dan entropi dalam hamburan elektron-elektron. J. Spektrofoton Elektron. Berhubungan. Fenomena., 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, dan C. Ropers. Keadaan bilangan elektron berkorelasi Coulomb dalam berkas mikroskop elektron transmisi. Fisika Alam, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl, dan P. Hommelhoff. Korelasi beberapa elektron setelah fotoemisi ultracepat dari ujung jarum nanometrik. Fisika Alam, 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, dan P. Haslinger. Diskriminasi katodoluminesensi koheren dan tidak koheren menggunakan korelasi foton temporal. Ultramikroskopi, 241: 113594, November 2022. 10.1016/​j.ultramic.2022.113594.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

[52] A. Konečná, F. Iyikanat, dan FJ García de Abajo. Keterjeratan elektron bebas dan eksitasi optik. Sains. Lanjutan, 8 (47): eabo7853, November 2022. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https:/​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack, dan T. Schachinger. Perambatan elastis pusaran elektron cepat melalui bahan amorf. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Dikutip oleh

Stempel Waktu:

Lebih dari Jurnal Kuantum