O poartă logică cuantică pentru electroni liberi

O poartă logică cuantică pentru electroni liberi

Marca temporală: 11 iulie 2023, ora 4:49
Nodul sursă: 2768981

Stefan Löffler1, Thomas Schachinger1,2, Peter Hartel3, Peng-Han Lu4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski4, Martin Obermair6, Manuel Dries6, Dagmar Gerthsen6și Peter Schattschneider1,2

1Centrul de servicii universitar pentru microscopie electronică cu transmisie, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Austria
2Institutul de fizică a stării solide, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Austria
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Germania
4Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons (ER-C) și Institutul Peter Grünberg, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Germania
5Universitatea RWTH Aachen, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Germania
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Germania

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Sarcina topologică $m$ a electronilor vortex se întinde pe un spațiu Hilbert de dimensiuni infinite. Selectând un subspațiu bidimensional acoperit de $m=pm 1$, un fascicul de electron într-un microscop electronic cu transmisie (TEM) poate fi considerat ca un bit cuantic (qubit) care se propagă liber în coloană. O combinație de lentile cvadrupole optice cu electroni poate servi ca un dispozitiv universal pentru a manipula astfel de qubiți la discreția experimentatorului. Am configurat un sistem de lentile care formează sonde TEM ca o poartă cuantică și am demonstrat acțiunea sa numeric și experimental. TEM de ultimă generație cu corectori a aberațiilor sunt o platformă promițătoare pentru astfel de experimente, deschizând calea studierii porților logice cuantice în microscopul electronic.

Imagine prezentată: Stânga: Schema configurației electron-optice. Mijloc: Funcția de undă incidentă. Dreapta: Funcția de undă de ieșire transformată și distribuția intensității experimentale.

Rezumat popular

Acest experiment de demonstrare a principiului arată că electronii liberi dintr-un microscop electronic cu transmisie (TEM) pot fi utilizați ca qubiți, blocurile de construcție pentru calculatoarele cuantice. Demonstrăm o poartă logică cuantică care poate transforma acești qubiți dintr-o stare în alta. Cu o rezoluție spațială până la dimensiunile atomice, TEM este ideal pentru studiul fundamentelor manipulării cuantice. Pe lângă posibilele aplicații în calculul cuantic, acest studiu deschide calea pentru îmbunătățirea semnificativă a eficienței TEM prin transformarea fasciculului de electroni într-o stare cuantică optimă pentru un anumit experiment.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran și V. Grillo. Formarea fasciculului de electroni în microscopul electronic de transmisie: Controlul propagării fasciculului de electroni de-a lungul coloanelor atomice. Fiz. Rev. Appl., 11 (4): 044072, aprilie 2019. 10.1103/​physrevapplied.11.044072.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevapplied.11.044072

[2] J. Hammer, S. Thomas, P. Weber și P. Hommelhoff. Splitter de fascicul pe bază de cip cu microunde pentru electroni ghidați de energie scăzută. 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 și P. Schattschneider. EMCD cu un filtru vortex de electroni: Limitări și posibilități. 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 și G. Van Tendeloo. Cum se manipulează nanoparticulele cu un fascicul de electroni? Adv. Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https://​/​doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen și M. Padgett. Progrese în momentul unghiular optic. 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 și A. Zeilinger. Porți cuantice cu un singur foton de înaltă dimensiune: concepte și experimente. Fiz. Rev. Lett., 119: 180510, noiembrie 2017. 10.1103/​PhysRevLett.119.180510.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[7] R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumov, M. Batuk și J. Verbeeck. Utilizarea fasciculelor de vortex de electroni pentru a determina chiralitatea cristalelor în microscopia electronică cu transmisie. Fiz. Rev. B, 91: 094112, martie 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 și F. Carbone. Controlul coerent la attosecunde al funcțiilor de undă cu electroni liberi folosind câmpuri luminoase semi-infinite. Nat. Com., 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 și C. Ropers. Modularea fazei optice coerente cuantice într-un microscop electronic cu transmisie ultrarapidă. 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 și P. Baum. Controlul integral optic și metrologia impulsurilor de electroni. 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 și P. Hommelhoff. Generarea și caracterizarea trenurilor de impulsuri de electroni microbunched attosecunde prin accelerația laser dielectrică. 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 și F. Nori. Dinamica semiclasică a stărilor de pachete de unde electronice cu vortexuri de fază. Fiz. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, MR Dennis și F. Nori. Fascicule vortex de electroni relativiste: moment unghiular și interacțiune 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 și P. Schattschneider. Producerea și aplicarea fasciculelor vortex de electroni. Nature, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/​nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] M. Uchida şi A. Tonomura. Generarea de fascicule de electroni care transportă moment unghiular orbital. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/​nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck și F. Nori. Fascicule vortex de electroni într-un câmp magnetic: o nouă răsturnare a nivelurilor Landau și a statelor Aharonov-Bohm. 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 și F. Nori. Imaginirea dinamicii stărilor Landau cu electroni liberi. Nat. Commun., 5: 4586, august 2014. 10.1038/​ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori și J. Verbeeck. Observarea rotațiilor Larmor și Gouy cu fascicule vortex de electroni. Fiz. Rev. Lett., 110: 093601, februarie 2013. 10.1103/​PhysRevLett.110.093601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach și P. Schattschneider. Rotația particulară a fasciculelor vortex de electroni. Ultramicroscopy, 158: 17–25, noiembrie 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 și J. Verbeeck. Teoria și aplicațiile stărilor de vortex cu electroni liberi. 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 și UL Andersen. Generarea deterministă a unei stări de cluster bidimensionale. Science, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage și H. Häffner. Provocări materiale pentru calculatoarele cuantice cu ioni prinși. 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 și WD Oliver. Qubiți supraconductori: starea actuală a jocului. Annu. Pr. 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 și TH Taminiau. Un registru de spin cu stare solidă de zece qubiți cu memorie cuantică de până la un minut. Fiz. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab, and F. Nori. Atomi naturali și artificiali pentru calculul cuantic. 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 și F. Kuemmeth. Qubiți semiconductori în practică. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Citat de :91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch și I. Kaminer. Qubiți cu electroni liberi. 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 și I. Kaminer. Către măsurători cuantice cu rezoluție atomică cu electroni liberi formați în mod coerent. Fiz. Rev. Lett., 126 (23): 233403, iunie 2021. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov și P. Baum. Qubiți de electroni liberi și impulsuri de attosecundă cu contrast maxim prin revigorări temporale ale talbotului. Fiz. Rev. Research, 3 (4): 043033, oct 2021. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

[30] S. Löffler. Operatori cuantici unitari cu două stări realizați prin câmpuri cvadrupolare la microscopul electronic. 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 și J. Verbeeck. Generator de vortex nou și convertor de mod pentru fasciculele de electroni. 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 și P. Schattschneider. Realizarea experimentală a unui convertor de mod vortex $pi/​2$ pentru electroni folosind un corector de aberație sferică. Ultramicroscopy, 229: 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karlovets. Electroni vortex relativiști: regimuri paraxiale versus regimuri neparaxiale. Fiz. Rev. A, 98: 012137, iulie 2018. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati și J. Verbeeck. Măsurarea cantitativă a momentului unghiular orbital în microscopia electronică. 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 și J. Verbeeck. Măsurarea momentului unghiular orbital al fasciculelor de electroni. Revista fizică A – Fizică atomică, moleculară și optică, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMorran, TR Harvey și MPJ Lavery. Sortarea eficientă a momentului unghiular orbital al electronilor liberi. 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 și E. Karimi. Măsurarea spectrului momentului unghiular orbital al unui fascicul de electroni. Nat. Com., 8: 15536, 2017. 10.1038/​ncomms15536.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms15536

[38] G. Pozzi, V. Grillo, P. Lu, AH Tavabi, E. Karimi și RE Dunin-Borkowski. Proiectarea elementelor de fază electrostatică pentru sortarea momentului unghiular orbital al electronilor. 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 și V. Grillo. Demonstrarea experimentală a unui sortator electrostatic de moment unghiular orbital pentru fasciculele de electroni. Fiz. 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 și MJ Padgett. Sortarea eficientă a stărilor de moment unghiular orbital ale luminii. 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 și P. Schattschneider. Convertoare de mod π/​2 și generatoare de vortex pentru electroni. Ultramicroscopy, 204: 27–33, septembrie 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 și J. Verbeeck. Câmp de monopol magnetic expus de electroni. Nat. Phys., 10 (1): 26–29, decembrie 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 și D. Gerthsen. $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ fără oxid pentru microscopia electronică cu transmisie. Ultramicroscopy, 189: 39–45, iunie 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 și J. Verbeeck. Analiza topologică a fasciculelor vortex de electroni împrăștiați paraxial. Fiz. Rev. A, 87: 033834, martie 2013. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Calcul tolerant la erori de către oricine. 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. Erori de măsurare în microscopia electronică asistată de încurcare. Revista fizică A – Fizică atomică, moleculară și optică, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneider și S. Löffler. Încurcarea și decoerența în microscopia electronică. 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 și R. Feder. Încurcarea și entropia în împrăștierea electron-electron. 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 și C. Ropers. Stări ale numărului de electroni corelate cu Coulomb într-un fascicul de microscop electronic de transmisie. Fizica naturii, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl și P. Hommelhoff. Corelații cu puțini electroni după fotoemisia ultrarapidă de la vârfurile acelor nanometrice. Fizica naturii, 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 și P. Haslinger. Discriminarea catodoluminiscenței coerente și incoerente folosind corelații temporale de fotoni. 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 și FJ García de Abajo. Încurcarea electronilor liberi și excitațiile optice. Sci. Adv., 8 (47): eabo7853, nov 2022. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack și T. Schachinger. Propagarea elastică a vortexurilor rapide de electroni prin materiale amorfe. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Citat de

Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic