Een kwantumlogische poort voor vrije elektronen

Een kwantumlogische poort voor vrije elektronen

Bronknooppunt: 2768981

Stefan Löffler1, Thomas Schachinger1,2, Peter Hartel3, Peng-Han Lu4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski4, Martin Obermair6, Manuel Dries6, Dagmar Gerthsen6en Peter Schattschneider1,2

1Universitair Servicecentrum voor Transmissie-Elektronenmicroscopie, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Oostenrijk
2Instituut voor Vastestoffysica, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Oostenrijk
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Duitsland
4Ernst Ruska-Centrum voor Microscopie en Spectroscopie met Elektronen (ER-C) en Peter Grünberg Instituut, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Duitsland
5RWTH Universiteit van Aken, Ahornstraße 55, 52074 Aken, Duitsland
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Duitsland

Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.

Abstract

De topologische lading $m$ van vortex-elektronen omspant een oneindig-dimensionale Hilbertruimte. Door een tweedimensionale deelruimte te selecteren die wordt omspannen door $m=pm 1$, kan een bundelelektron in een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) worden beschouwd als een kwantumbit (qubit) dat zich vrijelijk voortplant in de kolom. Een combinatie van elektronenoptische quadrupoollenzen kan dienen als een universeel apparaat om dergelijke qubits naar goeddunken van de experimentator te manipuleren. We hebben een TEM-sondevormend lenssysteem opgezet als een kwantumpoort en de werking ervan numeriek en experimenteel gedemonstreerd. Hoogwaardige TEM's met aberratiecorrectors zijn een veelbelovend platform voor dergelijke experimenten en openen de weg voor het bestuderen van kwantumlogische poorten in de elektronenmicroscoop.

Dit proof-of-principle-experiment laat zien dat vrije elektronen in een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) kunnen worden gebruikt als qubits, de bouwstenen voor kwantumcomputers. We demonstreren een kwantumlogische poort die deze qubits van de ene toestand naar de andere kan transformeren. Met een ruimtelijke resolutie tot atomaire dimensies is de TEM bij uitstek geschikt voor de studie van de grondbeginselen van kwantummanipulatie. Naast de mogelijke toepassingen in kwantumcomputers, maakt deze studie ook de weg vrij voor een aanzienlijke verbetering van de efficiëntie van de TEM door de elektronenbundel te transformeren in een optimale kwantumtoestand voor een bepaald experiment.

► BibTeX-gegevens

► Referenties

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran en V. Grillo. Vorming van elektronenbundels in de transmissie-elektronenmicroscoop: controle van de voortplanting van elektronenbundels langs atomaire kolommen. Fys. 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 en P. Hommelhoff. Op microgolfchips gebaseerde bundelsplitser voor geleide elektronen met lage energie. Fys. 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 en P. Schattschneider. EMCD met een elektronenvortexfilter: beperkingen en mogelijkheden. Ultramicroscopie, 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 en G. Van Tendeloo. Hoe nanodeeltjes manipuleren met een elektronenbundel? Gev. Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https://​/​doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen en M. Padgett. Vooruitgang in optisch impulsmoment. 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 en A. Zeilinger. Hoogdimensionale kwantumpoorten met één foton: concepten en experimenten. Fys. Rev. 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 en J. Verbeeck. Gebruik van elektronenwervelstralen om de chiraliteit van kristallen te bepalen bij transmissie-elektronenmicroscopie. Fys. Rev. B, 91: 094112, maart 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 en F. Carbone. Attoseconde coherente controle van vrije-elektronengolffuncties met behulp van semi-oneindige lichtvelden. 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 en C. Ropers. Kwantumcoherente optische fasemodulatie in een ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop. Natuur, 521 (7551): 200–203, 2015. 10.1038/​natuur14463.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14463

[10] C. Kealhofer, W. Schneider, D. Ehberger, A. Ryabov, F. Krausz en P. Baum. Volledig optische controle en metrologie van elektronenpulsen. Wetenschap, 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 en P. Hommelhoff. Generatie en karakterisering van attoseconde microgebundelde elektronenpulstreinen via diëlektrische laserversnelling. Fys. 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 en F. Nori. Semiklassieke dynamiek van elektronengolfpakkettoestanden met fasewervelingen. Fys. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, de heer Dennis en F. Nori. Relativistische elektronenvortexbundels: impulsmoment en spin-baan-interactie. Fys. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/PhysRevLett.107.174802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian en P. Schattschneider. Productie en toepassing van elektronenwervelstralen. Natuur, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/​natuur09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] M. Uchida en A. Tonomura. Generatie van elektronenbundels met een orbitaal impulsmoment. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/​natuur08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck en F. Nori. Elektronenvortexbundels in een magnetisch veld: een nieuwe draai aan Landau-niveaus en Aharonov-Bohm-staten. Fys. 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 en F. Nori. Beeldvorming van de dynamiek van Landau-staten met vrije elektronen. Nat. Commun., 5: 4586, augustus 2014. 10.1038/​ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori en J. Verbeeck. Observatie van de Larmor- en Gouy-rotaties met elektronenvortexbundels. Fys. Rev. 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 en P. Schattschneider. Eigenaardige rotatie van elektronenvortexbundels. Ultramicroscopie, 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 en J. Verbeeck. Theorie en toepassingen van vrije-elektronenvortextoestanden. Fys. 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 en UL Andersen. Deterministische generatie van een tweedimensionale clustertoestand. Wetenschap, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage en H. Häffner. Materiaaluitdagingen voor kwantumcomputers met gevangen ionen. 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 en WD Oliver. Supergeleidende qubits: huidige stand van zaken. Jaar. Ds. 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 en TH Taminiau. Een solid-state spinregister van tien qubit met kwantumgeheugen tot één minuut. Fys. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab en F. Nori. Natuurlijke en kunstmatige atomen voor kwantumberekeningen. Rep. Prog. Phys., 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 en F. Kuemmeth. Halfgeleiderqubits in de praktijk. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Geciteerd door:91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch en I. Kaminer. Qubits met vrije elektronen. 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 en I. Kaminer. Op weg naar kwantummetingen met atomaire resolutie met coherent gevormde vrije elektronen. Fys. Rev. Lett., 126 (23): 233403, juni 2021. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov en P. Baum. Qubits met vrije elektronen en attosecondepulsen met maximaal contrast via tijdelijke talbot-opwekkingen. Fys. Rev. Research, 3 (4): 043033, oktober 2021. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

[30] S. Löffler. Unitaire tweestaten-kwantumoperatoren gerealiseerd door quadrupoolvelden in de elektronenmicroscoop. Ultramicroscopie, 234: 113456, 2022. 10.1016/​j.ultramic.2021.113456.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113456

[31] P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach en J. Verbeeck. Nieuwe vortexgenerator en modusomzetter voor elektronenbundels. Fys. 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 en P. Schattschneider. Experimentele realisatie van een $pi/​2$ vortexmodusomzetter voor elektronen met behulp van een sferische aberratiecorrector. Ultramicroscopie, 229: 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karlovets. Relativistische vortex-elektronen: paraxiale versus niet-paraxiale regimes. Fys. 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 en J. Verbeeck. Kwantitatieve meting van orbitaal impulsmoment in elektronenmicroscopie. Fysisch overzicht A – Atomaire, Moleculaire en Optische Fysica, 89 (5): 053818, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.053818.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.053818

[35] G. Guzzinati, L. Clark, A. Béché en J. Verbeeck. Meten van het orbitale impulsmoment van elektronenbundels. Fysisch overzicht A – Atomaire, Moleculaire en Optische Fysica, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMorran, TR Harvey en MPJ Lavery. Efficiënte sortering van het vrije elektronenorbitaal impulsmoment. 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 en E. Karimi. Het meten van het orbitale impulsmomentspectrum van een elektronenbundel. 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 en RE Dunin-Borkowski. Ontwerp van elektrostatische fase-elementen voor het sorteren van het orbitale impulsmoment van elektronen. Ultramicroscopie, 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 en V. Grillo. Experimentele demonstratie van een elektrostatische orbitale impulsmomentsorteerder voor elektronenbundels. Fys. Rev. Lett., 126 (9): 094802, maart 2021. 10.1103/​physrevlett.126.094802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen en MJ Padgett. Efficiënt sorteren van orbitale impulsmomenttoestanden van licht. Fys. 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 en P. Schattschneider. π/​2 mode-omzetters en vortexgeneratoren voor elektronen. Ultramicroscopie, 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 en J. Verbeeck. Magnetisch monopoolveld blootgesteld door elektronen. Nat. Phys., 10 (1): 26–29, december 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 en D. Gerthsen. Oxidevrije $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ faseplaten voor transmissie-elektronenmicroscopie. Ultramicroscopie, 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 en J. Verbeeck. Topologische analyse van paraxiaal verstrooide elektronenvortexbundels. Fys. Rev. A, 87: 033834, maart 2013. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Fouttolerante berekeningen door iedereen. 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. Meetfouten bij verstrengelingsgeassisteerde elektronenmicroscopie. Fysisch overzicht A – Atomaire, Moleculaire en Optische Fysica, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneider en S. Löffler. Verstrengeling en decoherentie in elektronenmicroscopie. Ultramicroscopie, 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 en R. Feder. Verstrengeling en entropie bij elektron-elektronenverstrooiing. J. Elektronenspectrosc. Rel. 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 en C. Ropers. Coulomb-gecorreleerde elektronenaantaltoestanden in een transmissie-elektronenmicroscoopbundel. Natuurfysica, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl en P. Hommelhoff. Weinig-elektronencorrelaties na ultrasnelle foto-emissie van nanometrische naaldpunten. Natuurfysica, 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 en P. Haslinger. Discriminatie van coherente en incoherente kathodoluminescentie met behulp van temporele fotoncorrelaties. Ultramicroscopie, 241: 113594, november 2022. 10.1016/​j.ultramic.2022.113594.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

[52] A. Konečná, F. Iyikanat en FJ García de Abajo. Verstrengeling van vrije elektronen en optische excitaties. Wetenschap Adv., 8 (47): eabo7853, november 2022. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack en T. Schachinger. Elastische voortplanting van snelle elektronenwervelingen door amorfe materialen. Acta Kristallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Geciteerd door

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal