自由電子の量子論理ゲート

自由電子の量子論理ゲート

タイムスタンプ：11年2023月4日午前49時XNUMX分
ソースノード： 2768981

ステファン・ロフラー1、トーマス・シャッヒンガー1,2、ピーター・ハーテル3ルー・ペンハン4,5、ラファル・E・ドゥニン＝ボルコウスキー4、マーティン・オーバーメア6、マヌエル・ドリス6、ダグマー・ガートセン6、ピーター・シャッツシュナイダー1,2

1透過電子顕微鏡用大学サービスセンター、TU Wien、Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02、1040 Wien、オーストリア
2Institute of Solid State Physics, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, オーストリア
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH、Englerstraße 28、69126 ハイデルベルク、ドイツ
4Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons (ER-C) および Peter Grünberg Institute、Forschungszentrum Jülich、52425 Jülich、ドイツ
5RWTH アーヘン大学、Ahornstraße 55、52074 アーヘン、ドイツ
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM)、Karlsruher Institut für Technologie (KIT)、Engesserstraße 7、76131 カールスルーエ、ドイツ

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抽象

渦電子のトポロジカル電荷 $m$ は無限次元のヒルベルト空間に広がります。 $m=pm 1$ で広がる XNUMX 次元部分空間を選択すると、透過型電子顕微鏡 (TEM) 内のビーム電子は、柱内を自由に伝播する量子ビット (qubit) とみなすことができます。 電子光学四重極レンズの組み合わせは、実験者の裁量でそのような量子ビットを操作するための汎用デバイスとして機能します。 TEM プローブ形成レンズ系を量子ゲートとして設定し、その作用を数値的および実験的に実証します。 収差補正器を備えたハイエンド TEM は、このような実験の有望なプラットフォームであり、電子顕微鏡で量子論理ゲートを研究する道を開きます。

注目の画像: 左: 電子光学セットアップの概略図。 中央: 入射波動関数。 右: 変換された出射波動関数と実験的な強度分布。

人気の要約

この原理実証実験は、透過型電子顕微鏡 (TEM) 内の自由電子が量子コンピューターの構成要素である量子ビットとして使用できることを示しています。 これらの量子ビットをある状態から別の状態に変換できる量子論理ゲートを示します。 原子次元までの空間分解能を備えた TEM は、量子操作の基礎の研究に理想的です。 この研究は、量子コンピューティングへの応用の可能性に加えて、電子ビームを特定の実験に最適な量子状態に変換することで TEM の効率を大幅に向上させる道も切り開きます。

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