Kwantowa bramka logiczna dla swobodnych elektronów

Kwantowa bramka logiczna dla swobodnych elektronów

Węzeł źródłowy: 2768981

Stefana Löfflera1, Thomasa Schachingera1,2, Piotr Hartel3, Peng-Han Lu4,5, Rafał E. Dunin-Borkowski4, Martin Obermair6, Manuel Drys6, Dagmara Gerthsen6i Petera Schattschneidera1,2

1Uniwersyteckie Centrum Serwisowe Transmisyjnej Mikroskopii Elektronowej, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Austria
2Instytut Fizyki Ciała Stałego, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Austria
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Niemcy
4Ernst Ruska – Centrum Mikroskopii i Spektroskopii Elektronów (ER-C) i Instytut Petera Grünberga, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Niemcy
5Uniwersytet RWTH w Akwizgranie, Ahornstraße 55, 52074 Akwizgran, Niemcy
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Niemcy

Czy ten artykuł jest interesujący czy chcesz dyskutować? Napisz lub zostaw komentarz do SciRate.

Abstrakcyjny

Ładunek topologiczny $m$ elektronów wirowych rozciąga się na nieskończenie wymiarową przestrzeń Hilberta. Wybierając dwuwymiarową podprzestrzeń rozpiętą przez $m=pm 1$, elektron wiązki w transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM) można uznać za bit kwantowy (kubit) swobodnie rozprzestrzeniający się w kolumnie. Kombinacja elektronowo-optycznych soczewek kwadrupolowych może służyć jako uniwersalne urządzenie do manipulowania takimi kubitami według uznania eksperymentatora. Skonfigurowaliśmy sondę TEM tworzącą układ soczewek jako bramę kwantową i zademonstrowaliśmy jej działanie numerycznie i eksperymentalnie. Wysokiej klasy TEM z korektorami aberracji stanowią obiecującą platformę dla takich eksperymentów, otwierając drogę do badania kwantowych bramek logicznych w mikroskopie elektronowym.

Ten eksperyment weryfikujący zasadę pokazuje, że wolne elektrony w transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM) można wykorzystać jako kubity, elementy składowe komputerów kwantowych. Demonstrujemy kwantową bramkę logiczną, która może przekształcić te kubity z jednego stanu w drugi. Dzięki rozdzielczości przestrzennej sięgającej wymiarów atomowych TEM idealnie nadaje się do badania podstaw manipulacji kwantowej. Oprócz możliwych zastosowań w obliczeniach kwantowych, badanie to toruje również drogę do znacznej poprawy wydajności TEM poprzez przekształcenie wiązki elektronów w optymalny stan kwantowy dla danego eksperymentu.

► Dane BibTeX

► Referencje

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran i V. Grillo. Kształtowanie wiązek elektronów w transmisyjnym mikroskopie elektronowym: Sterowanie propagacją wiązek elektronów wzdłuż kolumn atomowych. Fiz. Rev. Appl., 11 (4): 044072, kwiecień 2019. 10.1103/​physrevapplied.11.044072.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevapplied.11.044072

[2] J. Hammer, S. Thomas, P. Weber i P. Hommelhoff. Mikrofalowy rozdzielacz wiązki dla elektronów kierowanych o niskiej energii. Fiz. 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 i P. Schattschneider. EMCD z elektronowym filtrem wirowym: ograniczenia i możliwości. Ultramikroskopia, 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 i G. Van Tendeloo. Jak manipulować nanocząstkami za pomocą wiązki elektronów? Adw. Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https://​/​doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen i M. Padgett. Postępy w optycznym momencie pędu. 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 i A. Zeilinger. Wysokowymiarowe jednofotonowe bramki kwantowe: koncepcje i eksperymenty. Fiz. Rev. Lett., 119: 180510, listopad 2017. 10.1103/​PhysRevLett.119.180510.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[7] R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumow, M. Batuk i J. Verbeeck. Wykorzystanie wiązek wirów elektronowych do określenia chiralności kryształów w transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Fiz. Rev. B, 91: 094112, marzec 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 i F. Carbone. Attosekundowa spójna kontrola funkcji fal swobodnych elektronów przy użyciu półnieskończonych pól świetlnych. Nat. Comm., 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 i C. Ropers. Kwantowa spójna optyczna modulacja fazy w ultraszybkim transmisyjnym mikroskopie elektronowym. Natura, 521 (7551): 200–203, 2015. 10.1038/​natura14463.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14463

[10] C. Kealhofer, W. Schneider, D. Ehberger, A. Ryabov, F. Krausz i P. Baum. Całkowicie optyczna kontrola i metrologia impulsów elektronowych. 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 i P. Hommelhoff. Generowanie i charakterystyka attosekundowych ciągów impulsów elektronowych z mikrowiązkami za pomocą przyspieszania laserem dielektrycznym. Fiz. 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 i F. Nori. Półklasyczna dynamika stanów pakietów fal elektronowych z wirami fazowymi. Fiz. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, MR Dennis i F. Nori. Relatywistyczne wiązki wirów elektronowych: moment pędu i interakcja spin-orbita. Fiz. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.174802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian i P. Schattschneider. Wytwarzanie i zastosowanie elektronowych wiązek wirowych. Natura, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/​nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] M. Uchida i A. Tonomura. Generacja wiązek elektronów przenoszących orbitalny moment pędu. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/​nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck i F. Nori. Wiązki wirów elektronowych w polu magnetycznym: nowy zwrot w poziomach Landaua i stanach Aharonova-Bohma. Fiz. 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 i F. Nori. Obrazowanie dynamiki stanów Landaua na swobodnych elektronach. Nat. Comm., 5: 4586, sierpień 2014. 10.1038/​ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori i J. Verbeeck. Obserwacja rotacji Larmora i Gouya za pomocą wiązek wirów elektronowych. Fiz. Rev. Lett., 110: 093601, luty 2013. 10.1103/​PhysRevLett.110.093601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach i P. Schattschneider. Specyficzny obrót wiązek wirów elektronowych. Ultramikroskopia, 158: 17–25, listopad 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 i J. Verbeeck. Teoria i zastosowania stanów wirowych na swobodnych elektronach. Fiz. 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 i UL Andersen. Deterministyczne generowanie dwuwymiarowego stanu klastra. Science, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage i H. Häffner. Wyzwania materiałowe dla komputerów kwantowych z uwięzionymi jonami. 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 i WD Oliver. Kubity nadprzewodzące: aktualny stan prac. Annu. Wielebny Conden. Mama. 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 i TH Taminiau. Dziesięciokubitowy półprzewodnikowy rejestr spinowy z pamięcią kwantową do jednej minuty. Fiz. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab i F. Nori. Atomy naturalne i sztuczne w obliczeniach kwantowych. Program Rep. Fiz., 74 (10): 104401, wrzesień 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 i F. Kuemmeth. Kubity półprzewodnikowe w praktyce. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Cytowane przez: 91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch i I. Kaminer. Kubity na swobodnych elektronach. Anna. Fiz., 533 (2): 2000254, 2021. 10.1002/​andp.202000254.
https: / / doi.org/ 10.1002 / andp.202000254

[28] R. Ruimy, A. Gorlach, C. Mechel, N. Rivera i I. Kaminer. W stronę pomiarów kwantowych z rozdzielczością atomową przy użyciu spójnie ukształtowanych wolnych elektronów. Fiz. Rev. Lett., 126 (23): 233403, czerwiec 2021. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

[29] MV Carew, A. Ryabow i P. Baum. Kubity wolnych elektronów i impulsy attosekundowe o maksymalnym kontraście poprzez czasowe odrodzenia Tabota. Fiz. Rev. Research, 3 (4): 043033, październik 2021. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

[30] S. Löfflera. Unitarne dwustanowe operatory kwantowe realizowane za pomocą pól kwadrupolowych w mikroskopie elektronowym. Ultramikroskopia, 234: 113456, 2022. 10.1016/​j.ultramic.2021.113456.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113456

[31] P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach i J. Verbeeck. Nowatorski generator wirów i konwerter modów dla wiązek elektronów. Fiz. 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 i P. Schattschneider. Eksperymentalna realizacja konwertera trybu wirowego $pi/​2$ dla elektronów z wykorzystaniem korektora aberracji sferycznej. Ultramikroskopia, 229: 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karłowiec. Relatywistyczne elektrony wirowe: reżimy przyosiowe i nieprzyosiowe. Fiz. Rev. A, 98: 012137, lipiec 2018. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati i J. Verbeeck. Ilościowy pomiar orbitalnego momentu pędu w mikroskopii elektronowej. Przegląd fizyczny A – Fizyka atomowa, molekularna i optyczna, 89 (5): 053818, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.053818.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.053818

[35] G. Guzzinati, L. Clark, A. Béché i J. Verbeeck. Pomiar orbitalnego momentu pędu wiązek elektronów. Przegląd fizyczny A – Fizyka atomowa, molekularna i optyczna, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMorran, TR Harvey i MPJ Lavery. Efektywne sortowanie orbitalnego momentu pędu wolnych elektronów. 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 i E. Karimi. Pomiar orbitalnego widma pędu wiązki elektronów. Nat. Comm., 8: 15536, 2017. 10.1038/​ncomms15536.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms15536

[38] G. Pozzi, V. Grillo, P. Lu, AH Tavabi, E. Karimi i RE Dunin-Borkowski. Projektowanie elektrostatycznych elementów fazowych do sortowania orbitalnego momentu pędu elektronów. Ultramikroskopia, 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 i V. Grillo. Eksperymentalna demonstracja elektrostatycznego orbitalnego sortownika momentu pędu dla wiązek elektronów. Fiz. Rev. Lett., 126 (9): 094802, marzec 2021. 10.1103/​physrevlett.126.094802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen i MJ Padgett. Efektywne sortowanie orbitalnych stanów pędu światła. Fiz. 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 i P. Schattschneider. Przetworniki modów π/​2 i generatory wirów dla elektronów. Ultramikroskopia, 204: 27–33, wrzesień 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 i J. Verbeeck. Pole monopolistyczne magnetyczne eksponowane przez elektrony. Nat. Phys., 10 (1): 26–29, grudzień 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 i D. Gerthsen. Beztlenkowe $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ płytki fazowe do transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Ultramikroskopia, 189: 39–45, cze 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 i J. Verbeeck. Analiza topologiczna paraosiowo rozproszonych wiązek wirów elektronowych. Fiz. Rev. A, 87: 033834, marzec 2013. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitajew. Obliczenia odporne na błędy przez każdego. Anna. 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. Błędy pomiarowe w mikroskopii elektronowej wspomaganej splątaniem. Przegląd fizyczny A – Fizyka atomowa, molekularna i optyczna, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneidera i S. Löfflera. Splątanie i dekoherencja w mikroskopii elektronowej. Ultramikroskopia, 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 i R. Feder. Splątanie i entropia w rozpraszaniu elektron-elektron. J. Spektroskopia elektronów. Dotyczy. 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 i C. Ropers. Skorelowane kulombowskie stany liczby elektronów w wiązce transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Fizyka Przyrody, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl i P. Hommelhoff. Korelacje kilkuelektronowe po ultraszybkiej fotoemisji z nanometrycznych końcówek igieł. Fizyka Przyrody, 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 i P. Haslinger. Rozróżnianie spójnej i niespójnej katodoluminescencji za pomocą czasowych korelacji fotonów. Ultramikroskopia, 241: 113594, lis 2022. 10.1016/​j.ultramic.2022.113594.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

[52] A. Konečná, F. Iyikanat i FJ García de Abajo. Splątanie wolnych elektronów i wzbudzenia optyczne. Nauka. Adv., 8 (47): eabo7853, lis 2022. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack i T. Schachinger. Elastyczna propagacja szybkich wirów elektronowych w materiałach amorficznych. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Cytowany przez

Znak czasu:

Więcej z Dziennik kwantowy