Una porta logica quantistica per elettroni liberi

Una porta logica quantistica per elettroni liberi

Timestamp: 11 luglio 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 Gerthsen6e Peter Schattschneider1,2

1Centro Servizi Universitario di Microscopia Elettronica a Trasmissione, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Vienna, Austria
2Istituto di Fisica dello Stato Solido, TU Vienna, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Vienna, Austria
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Germania
4Centro Ernst Ruska di microscopia e spettroscopia con elettroni (ER-C) e Istituto Peter Grünberg, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Germania
5RWTH Università di Aquisgrana, Ahornstraße 55, 52074 Aquisgrana, Germania
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Germania

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Astratto

La carica topologica $m$ degli elettroni del vortice si estende in uno spazio di Hilbert a dimensione infinita. Selezionando un sottospazio bidimensionale esteso da $m=pm 1$, un fascio di elettroni in un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) può essere considerato come un bit quantistico (qubit) che si propaga liberamente nella colonna. Una combinazione di lenti quadrupolari ottiche elettroniche può fungere da dispositivo universale per manipolare tali qubit a discrezione dello sperimentatore. Abbiamo impostato una sonda TEM che forma un sistema di lenti come una porta quantistica e ne abbiamo dimostrato l'azione numericamente e sperimentalmente. I TEM di fascia alta con correttori di aberrazione sono una piattaforma promettente per tali esperimenti, aprendo la strada allo studio delle porte logiche quantistiche nel microscopio elettronico.

Immagine in primo piano: A sinistra: schema della configurazione elettro-ottico. Al centro: funzione d'onda incidente. A destra: funzione d'onda in uscita trasformata e distribuzione dell'intensità sperimentale.

Riepilogo popolare

Questo esperimento di prova di principio mostra che gli elettroni liberi in un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) possono essere usati come qubit, gli elementi costitutivi dei computer quantistici. Dimostriamo una porta logica quantistica che può trasformare questi qubit da uno stato all'altro. Con una risoluzione spaziale fino alle dimensioni atomiche, il TEM è ideale per lo studio dei fondamenti della manipolazione quantistica. Oltre alle possibili applicazioni nell'informatica quantistica, questo studio apre anche la strada per migliorare significativamente l'efficienza del TEM trasformando il fascio di elettroni in uno stato quantistico ottimale per un dato esperimento.

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