En kvantelogikkport for gratis elektroner

Publisert av Platon

Følgere: 0

Stefan Löffler¹, Thomas Schachinger^1,2, Peter Hartel³, Peng-Han Lu^4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski⁴, Martin Obermair⁶, Manuel Dries⁶, Dagmar Gerthsen⁶, og Peter Schattschneider^1,2

¹Universitetsservicesenter for transmisjonselektronmikroskopi, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Østerrike
²Institute of Solid State Physics, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Østerrike
³CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Tyskland
⁴Ernst Ruska-senter for mikroskopi og spektroskopi med elektroner (ER-C) og Peter Grünberg Institute, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Tyskland
⁵RWTH Aachen University, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Tyskland
⁶Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Tyskland

Finn dette papiret interessant eller vil diskutere? Scite eller legg igjen en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Den topologiske ladningen $m$ av virvelelektroner spenner over et uendelig dimensjonalt Hilbert-rom. Ved å velge et todimensjonalt underrom spennet med $m=pm 1$, kan et stråleelektron i et transmisjonselektronmikroskop (TEM) betraktes som en kvantebit (qubit) som fritt forplanter seg i kolonnen. En kombinasjon av elektronoptiske kvadrupollinser kan tjene som en universell enhet for å manipulere slike qubits etter eksperimentørens skjønn. Vi setter opp et TEM-sondedannende linsesystem som en kvanteport og demonstrerer virkningen numerisk og eksperimentelt. High-end TEM-er med aberrasjonskorrektorer er en lovende plattform for slike eksperimenter, og åpner veien for å studere kvantelogiske porter i elektronmikroskopet.

Utvalgt bilde: Venstre: Skjematisk av det elektron-optiske oppsettet. Midten: Hendelsesbølgefunksjon. Høyre: Transformert utgående bølgefunksjon og eksperimentell intensitetsfordeling.

Populært sammendrag

Dette proof-of-princip-eksperimentet viser at frie elektroner i et transmisjonselektronmikroskop (TEM) kan brukes som qubits, byggesteinene for kvantedatamaskiner. Vi demonstrerer en kvantelogisk port som kan transformere disse qubitene fra en tilstand til en annen. Med en romlig oppløsning ned til atomdimensjoner, er TEM ideelt egnet for studiet av det grunnleggende om kvantemanipulasjon. I tillegg til mulige anvendelser innen kvanteberegning, baner denne studien også vei for betydelig forbedring av TEMs effektivitet ved å transformere elektronstrålen til en optimal kvantetilstand for et gitt eksperiment.

► BibTeX-data

@article{Loffler2023quantumlogicgate, doi = {10.22331/q-2023-07-11-1050}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-07-11-1050}, tittel = {A quantum logisk port for frie elektroner}, forfatter = {L{“{o}}ffler, Stefan og Schachinger, Thomas og Hartel, Peter og Lu, Peng-Han og Dunin-Borkowski, Rafal E. og Obermair, Martin og Dries, Manuel og Gerthsen, Dagmar og Schattschneider, Peter}, tidsskrift = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, utgiver = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volum = {7}, sider = {1050}, måned = jul, år = {2023} }

► Referanser

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran og V. Grillo. Elektronstråleforming i transmisjonselektronmikroskopet: Kontroll av elektronstråleutbredelse langs atomsøyler. Phys. 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 og P. Hommelhoff. Mikrobølgebrikkebasert stråledeler for lavenergistyrte elektroner. 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 og P. Schattschneider. EMCD med elektronvirvelfilter: Begrensninger og muligheter. Ultramicroscopy, 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 og G. Van Tendeloo. Hvordan manipulere nanopartikler med en elektronstråle? Adv. Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/adma.201204206.
https:///doi.org/10.1002/adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen og M. Padgett. Fremskritt i optisk vinkelmomentum. 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 og A. Zeilinger. Høydimensjonale enkeltfoton kvanteporter: konsepter og eksperimenter. Phys. Rev. Lett., 119: 180510, nov 2017. 10.1103/PhysRevLett.119.180510.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[7] R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumov, M. Batuk og J. Verbeeck. Bruke elektronvirvelstråler for å bestemme kiraliteten til krystaller i transmisjonselektronmikroskopi. Phys. Rev. B, 91: 094112, mars 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 og F. Carbone. Attosecond koherent kontroll av fri-elektronbølgefunksjoner ved bruk av semi-uendelige lysfelt. 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 og C. Ropers. Kvantekoherent optisk fasemodulasjon i et ultrarask transmisjonselektronmikroskop. Nature, 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 og P. Baum. All-optisk kontroll og metrologi av elektronpulser. 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 og P. Hommelhoff. Generering og karakterisering av attosekunds mikrobuntede elektronpulstog via dielektrisk laserakselerasjon. 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 og F. Nori. Semiklassisk dynamikk av elektronbølgepakketilstander med fasevirvler. Phys. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, MR Dennis og F. Nori. Relativistiske elektronvirvelstråler: Vinkelmomentum og spinn-bane-interaksjon. Phys. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/PhysRevLett.107.174802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian og P. Schattschneider. Produksjon og påføring av elektronvirvelstråler. Nature, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] M. Uchida og A. Tonomura. Generering av elektronstråler som bærer orbital vinkelmoment. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck og F. Nori. Elektronvirvelstråler i et magnetfelt: En ny vri på Landau-nivåer og Aharonov-Bohm-tilstander. 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 og F. Nori. Avbildning av dynamikken til frielektron Landau-tilstander. Nat. Commun., 5: 4586, august 2014. 10.1038/ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori og J. Verbeeck. Observasjon av Larmor- og Gouy-rotasjonene med elektronvirvelstråler. Phys. Rev. Lett., 110: 093601, februar 2013. 10.1103/PhysRevLett.110.093601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach og P. Schattschneider. Spesiell rotasjon av elektronvirvelstråler. Ultramicroscopy, 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 og J. Verbeeck. Teori og anvendelser av frielektronvirveltilstander. 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 og UL Andersen. Deterministisk generering av en todimensjonal klyngetilstand. Science, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage og H. Häffner. Materialutfordringer for fangede-ion kvantedatamaskiner. 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 og WD Oliver. Superledende qubits: Nåværende tilstand. 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 og TH Taminiau. Et ti-qubit solid-state spin register med kvanteminne opptil ett minutt. Phys. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab og F. Nori. Naturlige og kunstige atomer for kvanteberegning. 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 og F. Kuemmeth. Halvleder-qubits i praksis. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/s42254-021-00283-9. Sitert av: 91.
https://doi.org/10.1038/s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch og I. Kaminer. Fri-elektron qubits. Ann. Phys., 533 (2): 2000254, 2021. 10.1002/ogp.202000254.
https: / / doi.org/ 10.1002 / andp.202000254

[28] R. Ruimy, A. Gorlach, C. Mechel, N. Rivera og I. Kaminer. Mot atom-oppløsning kvantemålinger med koherent formede frie elektroner. Phys. Rev. Lett., 126 (23): 233403, jun 2021. 10.1103/physrevlett.126.233403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov og P. Baum. Frielektron-qubits og maksimal-kontrast-attosekundpulser via temporale talbot-vekkelser. Phys. Rev. Research, 3 (4): 043033, okt 2021. 10.1103/physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

[30] S. Löffler. Unitære to-tilstands kvanteoperatorer realisert av kvadrupolfelt i elektronmikroskopet. Ultramicroscopy, 234: 113456, 2022. 10.1016/j.ultramic.2021.113456.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2021.113456

[31] P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach og J. Verbeeck. Ny virvelgenerator og modusomformer for elektronstråler. 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 og P. Schattschneider. Eksperimentell realisering av en $pi/2$ virvelmodusomformer for elektroner ved bruk av en sfærisk aberrasjonskorrektor. Ultramicroscopy, 229: 113340, 2021. 10.1016/j.ultramic.2021.113340.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karlovets. Relativistiske virvelelektroner: Paraksiale versus ikke-paraksiale regimer. Phys. 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 og J. Verbeeck. Kvantitativ måling av orbital vinkelmoment i elektronmikroskopi. Physical Review A – Atomic, 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 og J. Verbeeck. Måling av det orbitale vinkelmomentet til elektronstråler. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/PhysRevA.89.025803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMorran, TR Harvey og MPJ Lavery. Effektiv sortering av fri elektronorbital vinkelmoment. 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 og E. Karimi. Måling av det orbitale vinkelmomentspekteret til en elektronstråle. 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 og RE Dunin-Borkowski. Design av elektrostatiske faseelementer for sortering av banevinkelmomentet til elektroner. Ultramicroscopy, 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 og V. Grillo. Eksperimentell demonstrasjon av en elektrostatisk orbital vinkelmomentumsorterer for elektronstråler. Phys. Rev. Lett., 126 (9): 094802, mar 2021. 10.1103/physrevlett.126.094802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen og MJ Padgett. Effektiv sortering av lysets vinkelmomenttilstander i orbital. 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 og P. Schattschneider. π/2-modusomformere og virvelgeneratorer for elektroner. Ultramicroscopy, 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 og J. Verbeeck. Magnetisk monopolfelt eksponert av elektroner. Nat. Phys., 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 og D. Gerthsen. Oksydfrie $text{aC}/text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/text{aC}$ faseplater for transmisjonselektronmikroskopi. Ultramicroscopy, 189: 39–45, jun 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 og J. Verbeeck. Topologisk analyse av paraksialt spredte elektronvirvelstråler. Phys. Rev. A, 87: 033834, mars 2013. 10.1103/PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Feiltolerant beregning av noen. 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. Målefeil i sammenfiltringsassistert elektronmikroskopi. Fysisk gjennomgang A – Atomic, Molecular, and Optical Physics, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/PhysRevA.89.063828.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneider og S. Löffler. Sammenfiltring og dekoherens i elektronmikroskopi. Ultramicroscopy, 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 og R. Feder. Sammenfiltring og entropi i elektron-elektronspredning. 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 og C. Ropers. Coulomb-korrelerte elektrontalltilstander i en transmisjonselektronmikroskopstråle. Naturfysikk, 2023. 10.1038/s41567-023-02067-7.
https://doi.org/10.1038/s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl og P. Hommelhoff. Få-elektronkorrelasjoner etter ultrarask fotoemisjon fra nanometriske nålespisser. Naturfysikk, 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 og P. Haslinger. Diskriminering av koherent og usammenhengende katodoluminescens ved bruk av temporale fotonkorrelasjoner. Ultramicroscopy, 241: 113594, nov 2022. 10.1016/j.ultramic.2022.113594.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2022.113594

[52] A. Konečná, F. Iyikanat og FJ García de Abajo. Sammenfiltring av frie elektroner og optiske eksitasjoner. Sci. Adv., 8 (47): eabo7853, nov 2022. 10.1126/sciadv.abo7853.
https:///doi.org/10.1126/sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack og T. Schachinger. Elastisk forplantning av raske elektronvirvler gjennom amorfe materialer. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Sitert av

Denne artikkelen er utgitt i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) tillatelse. Opphavsrett forblir hos de opprinnelige rettighetshaverne som forfatterne eller institusjonene deres.

SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
PlatoESG. Bil / elbiler, Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
BlockOffsets. Modernisering av eierskap for miljøkompensasjon. Tilgang her.
kilde: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-07-11-1050/

Tidstempel: Juli 11, 2023

Tidstempel: September 7, 2023

En kvantelogisk port for frie elektroner

Publisert av Platon

Abstrakt

Populært sammendrag

► BibTeX-data

► Referanser

Sitert av

Mer fra Kvantejournal

Motorer for prediktiv arbeidsutvinning fra minneverdige kvantestokastiske prosesser

Quantum er på Mastodon!

Begrensninger for korttidsutvikling av lokale Hamiltonianere

Skalering av den omtrentlige kvanteoptimaliseringsalgoritmen på superledende qubit-basert maskinvare

Kvantenøkkeldistribusjonsrater fra semidefinite programmering

Quantum Lazy Training

Universell ekvilibreringsdynamikk til Sachdev-Ye-Kitaev-modellen

Adaptiv overflatekode for kvantefeilkorreksjon i nærvær av midlertidige eller permanente defekter

Pauli-kanaler kan estimeres fra syndrommålinger i kvantefeilkorreksjon

Robuste kvante-mangekroppsarr i gittermåleteorier

Generering av svært gjenvinnbare atomfotonsammenfiltringer med en millisekunds levetid via et romlig multiplekset hulrom

Om Oss

Vertikal søk og Ai

Plattform

Hold kontakten

Logg inn