Uma porta lógica quântica para elétrons livres

Uma porta lógica quântica para elétrons livres

Carimbo de data / hora: 11 de julho de 2023, 4h
Nó Fonte: 2768981

Stefan Loffler1, Thomas Schachinger1,2, Peter Hartel3, Peng-Han Lu4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski4, Martin Obermair6, Manuel Seca6, Dagmar Gerthsen6e Peter Schattschneider1,2

1Centro de Serviços Universitários para Microscopia Eletrônica de Transmissão, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Áustria
2Instituto de Física do Estado Sólido, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Áustria
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Alemanha
4Centro Ernst Ruska de Microscopia e Espectroscopia com Elétrons (ER-C) e Instituto Peter Grünberg, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Alemanha
5Universidade RWTH Aachen, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Alemanha
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Alemanha

Acha este artigo interessante ou deseja discutir? Scite ou deixe um comentário no SciRate.

Sumário

A carga topológica $m$ dos elétrons do vórtice abrange um espaço de Hilbert de dimensão infinita. Selecionando um subespaço bidimensional medido por $m=pm 1$, um feixe de elétrons em um microscópio eletrônico de transmissão (TEM) pode ser considerado como um bit quântico (qubit) propagando-se livremente na coluna. Uma combinação de lentes quadrupolo ópticas eletrônicas pode servir como um dispositivo universal para manipular tais qubits a critério do experimentador. Montamos um sistema de lentes formadoras de sonda TEM como uma porta quântica e demonstramos sua ação numericamente e experimentalmente. TEMs de última geração com corretores de aberração são uma plataforma promissora para tais experimentos, abrindo caminho para o estudo de portas lógicas quânticas no microscópio eletrônico.

Imagem em destaque: Esquerda: Esquema da configuração eletro-óptica. Meio: Função de onda incidente. À direita: Função de onda de saída transformada e distribuição de intensidade experimental.

Resumo popular

Este experimento de prova de princípio mostra que os elétrons livres em um microscópio eletrônico de transmissão (TEM) podem ser usados ​​como qubits, os blocos de construção para computadores quânticos. Demonstramos uma porta lógica quântica que pode transformar esses qubits de um estado para outro. Com resolução espacial até dimensões atômicas, o TEM é ideal para o estudo dos fundamentos da manipulação quântica. Além das possíveis aplicações em computação quântica, este estudo também abre caminho para melhorar significativamente a eficiência do TEM, transformando o feixe de elétrons em um estado quântico ideal para um determinado experimento.

► dados BibTeX

► Referências

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran e V. Grillo. Modelagem de feixe de elétrons no microscópio eletrônico de transmissão: Controle da propagação do feixe de elétrons ao longo de colunas atômicas. Física. Rev. Appl., 11 (4): 044072, abril de 2019. 10.1103/​physrevaplied.11.044072.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevapplied.11.044072

[2] J. Hammer, S. Thomas, P. Weber e P. Hommelhoff. Divisor de feixe baseado em chip de micro-ondas para elétrons guiados de baixa energia. Física. Rev.
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 e P. Schattschneider. EMCD com filtro de vórtice de elétrons: Limitações e possibilidades. Ultramicroscopia, 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 e G. Van Tendeloo. Como manipular nanopartículas com feixe de elétrons? Av. Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https://​/​doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen e M. Padgett. Avanços no momento angular óptico. 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 e A. Zeilinger. Portas quânticas de fóton único de alta dimensão: conceitos e experimentos. Física. Rev. Lett., 119: 180510, novembro de 2017. 10.1103/​PhysRevLett.119.180510.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[7] R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumov, M. Batuk e J. Verbeeck. Usando feixes de vórtice de elétrons para determinar a quiralidade de cristais em microscopia eletrônica de transmissão. Física. Rev. B, 91: 094112, março de 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 e F. Carbone. Controle coerente em attosegundos de funções de onda de elétrons livres usando campos de luz semi-infinitos. Nat. Comun., 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 e C. Ropers. Modulação de fase óptica coerente quântica em um microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápida. Natureza, 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 e P. Baum. Controle totalmente óptico e metrologia de pulsos de elétrons. Ciência, 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 e P. Hommelhoff. Geração e caracterização de trens de pulsos de elétrons microgrupos de attossegundos via aceleração de laser dielétrico. Física. Rev.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.264803

[12] KY Bliokh, YP Bliokh, S. Savel'ev e F. Nori. Dinâmica semiclássica de estados de pacotes de ondas eletrônicas com vórtices de fase. Física. Rev.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, MR Dennis e F. Nori. Feixes de vórtices de elétrons relativísticos: Momento angular e interação spin-órbita. Física. Rev.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian e P. Schattschneider. Produção e aplicação de feixes de vórtices de elétrons. Natureza, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/​nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] M. Uchida e A. Tonomura. Geração de feixes de elétrons transportando momento angular orbital. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck e F. Nori. Feixes de vórtice de elétrons em um campo magnético: uma nova reviravolta nos níveis de Landau e nos estados de Aharonov-Bohm. Física. 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 e F. Nori. Imaginando a dinâmica dos estados Landau de elétrons livres. Nat. Commun., 5: 4586, agosto de 2014. 10.1038/​ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori e J. Verbeeck. Observação das rotações de Larmor e Gouy com feixes de vórtices de elétrons. Física. Rev. Lett., 110: 093601, fevereiro de 2013. 10.1103/​PhysRevLett.110.093601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach e P. Schattschneider. Rotação peculiar de feixes de vórtices de elétrons. Ultramicroscopia, 158: 17–25, novembro de 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 e J. Verbeeck. Teoria e aplicações de estados de vórtices de elétrons livres. Física. 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 e UL Andersen. Geração determinística de um estado de cluster bidimensional. Ciência, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage e H. Häffner. Desafios de materiais para computadores quânticos de íons aprisionados. Nat. 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 e WD Oliver. Qubits supercondutores: situação atual. Anu. Rev. Mãe. 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 e TH Taminiau. Um registrador de spin de estado sólido de dez qubits com memória quântica de até um minuto. Física. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab e F. Nori. Átomos naturais e artificiais para computação quântica. Rep. Phys., 74 (10): 104401, setembro de 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 e F. Kuemmeth. Qubits semicondutores na prática. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Citado por: 91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch e I. Kaminer. Qubits de elétrons livres. Ana. Phys., 533 (2): 2000254, 2021. 10.1002/​andp.202000254.
https: / / doi.org/ 10.1002 / ep.202000254

[28] R. Ruimy, A. Gorlach, C. Mechel, N. Rivera e I. Kaminer. Rumo a medições quânticas de resolução atômica com elétrons livres de formato coerente. Física. Rev. Lett., 126 (23): 233403, jun. 2021.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov e P. Baum. Qubits de elétrons livres e pulsos de attossegundos de contraste máximo por meio de reavivamentos de talbot temporais. Física. Research, 3 (4): 043033, out 2021. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

[30] S. Löffler. Operadores quânticos unitários de dois estados realizados por campos quadrupolos no microscópio eletrônico. Ultramicroscopia, 234: 113456, 2022. 10.1016/​j.ultramic.2021.113456.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113456

[31] P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach e J. Verbeeck. Novo gerador de vórtice e conversor de modo para feixes de elétrons. Física. Rev.
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 e P. Schattschneider. Realização experimental de um conversor em modo vórtice $pi/​2$ para elétrons usando um corretor de aberração esférica. Ultramicroscopia, 229: 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karlovets. Elétrons de vórtice relativístico: regimes paraxiais versus não paraxiais. Física. Rev. A, 98: 012137, julho de 2018. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati e J. Verbeeck. Medição quantitativa do momento angular orbital em microscopia eletrônica. Revisão Física A – Física Atômica, Molecular e Óptica, 89 (5): 053818, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.053818.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.053818

[35] G. Guzzinati, L. Clark, A. Béché e J. Verbeeck. Medindo o momento angular orbital de feixes de elétrons. Revisão Física A – Física Atômica, Molecular e Óptica, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMorran, TR Harvey e MPJ Lavery. Classificação eficiente do momento angular orbital do elétron livre. 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 e E. Karimi. Medindo o espectro de momento angular orbital de um feixe de elétrons. Nat. Commun., 8: 15536, 2017. 10.1038/​ncoms15536.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms15536

[38] G. Pozzi, V. Grillo, P. Lu, AH Tavabi, E. Karimi e RE Dunin-Borkowski. Projeto de elementos de fase eletrostática para classificação do momento angular orbital de elétrons. Ultramicroscopia, 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 e V. Grillo. Demonstração experimental de um classificador de momento angular orbital eletrostático para feixes de elétrons. Física. Rev.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen e MJ Padgett. Classificação eficiente dos estados de momento angular orbital da luz. Física. Rev.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.153601

[41] C. Kramberger, S. Löffler, T. Schachinger, P. Hartel, J. Zach e P. Schattschneider. Conversores de modo π/​2 e geradores de vórtices para elétrons. Ultramicroscopia, 204: 27–33, setembro de 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 e J. Verbeeck. Campo monopolo magnético exposto por elétrons. Nat. Phys., 10 (1): 26–29, dezembro de 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 e D. Gerthsen. Placas de fase $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ isentas de óxido para microscopia eletrônica de transmissão. Ultramicroscopy, 189: 39–45, junho de 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 e J. Verbeeck. Análise topológica de feixes de vórtices de elétrons dispersos paraxialmente. Física. Rev. A, 87: 033834, março de 2013. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Computação tolerante a falhas por qualquer pessoa. Ana. Física, 303: 2–30, 2003. 10.1016/​S0003-4916(02)00018-0.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00018-0

[46] H. Okamoto. Erros de medição em microscopia eletrônica assistida por emaranhamento. Revisão Física A – Física Atômica, Molecular e Óptica, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneider e S. Löffler. Emaranhamento e decoerência em microscopia eletrônica. Ultramicroscopia, 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 e R. Feder. Emaranhamento e entropia no espalhamento elétron-elétron. J. Espectro de elétrons. Relativo. 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 e C. Ropers. Estados do número de elétrons correlacionados com Coulomb em um feixe de microscópio eletrônico de transmissão. Física da Natureza, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl e P. Hommelhoff. Correlações de poucos elétrons após fotoemissão ultrarrápida de pontas de agulhas nanométricas. Física da Natureza, 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 e P. Haslinger. Discriminação de catodoluminescência coerente e incoerente usando correlações de fótons temporais. Ultramicroscopia, 241: 113594, novembro de 2022. 10.1016/​j.ultramic.2022.113594.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

[52] A. Konečná, F. Iyikanat e FJ García de Abajo. Emaranhamento de elétrons livres e excitações ópticas. Ciência. Adv., 8 (47): eabo7853, nov 2022. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack e T. Schachinger. Propagação elástica de vórtices de elétrons rápidos através de materiais amorfos. Acta Cristalogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Citado por

Este artigo é publicado na Quantum sob o Atribuição 4.0 do Creative Commons Internacional (CC BY 4.0) licença. Os direitos autorais permanecem com os detentores originais, como os autores ou suas instituições.

Carimbo de hora:

Mais de Diário Quântico