Квантовый логический вентиль для свободных электронов

Квантовый логический вентиль для свободных электронов

Отметка времени: 11 июля 2023 г., 4:49
Исходный узел: 2768981

Стефан Лёффлер1, Томас Шахингер1,2, Питер Хартел3, Пэн-Хань Лу4,5, Рафал Э. Дунин-Борковски4, Мартин Обермайр6, Мануэль Дрис6, Дагмар Гертсен6и Питер Шаттшнайдер1,2

1Университетский сервисный центр трансмиссионной электронной микроскопии, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Austria
2Институт физики твердого тела Венского технического университета, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Austria
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Гейдельберг, Германия
4Ernst Ruska-Центр микроскопии и спектроскопии с электронами (ER-C) и Институт Петера Грюнберга, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Германия
5RWTH Aachen University, Ahornstraße 55, 52074 Ахен, Германия
6Лаборатория электронной микроскопии (LEM), Технологический институт Карлсруэ (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Карлсруэ, Германия

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

Топологический заряд $m$ вихревых электронов охватывает бесконечномерное гильбертово пространство. Выбрав двумерное подпространство, натянутое на $m=pm 1$, электрон пучка в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) можно рассматривать как квантовый бит (кубит), свободно распространяющийся в столбе. Комбинация электронно-оптических квадрупольных линз может служить универсальным устройством для манипулирования такими кубитами по усмотрению экспериментатора. Мы настроили систему линз, формирующих ПЭМ-зонд, в качестве квантовых ворот и продемонстрируем ее действие численно и экспериментально. Высокопроизводительные ТЭМ с корректором аберраций являются многообещающей платформой для таких экспериментов, открывая путь к изучению квантовых логических вентилей в электронном микроскопе.

Рекомендуемое изображение: Слева: Схема электронно-оптической установки. Посередине: волновая функция инцидента. Справа: преобразованная исходящая волновая функция и экспериментальное распределение интенсивности.

Популярное резюме

Этот экспериментальный эксперимент показывает, что свободные электроны в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) можно использовать в качестве кубитов, строительных блоков для квантовых компьютеров. Мы демонстрируем квантовый логический вентиль, который может переводить эти кубиты из одного состояния в другое. Обладая пространственным разрешением вплоть до атомных размеров, ПЭМ идеально подходит для изучения основ квантовых манипуляций. Помимо возможных применений в квантовых вычислениях, это исследование также прокладывает путь к значительному повышению эффективности ПЭМ за счет преобразования электронного пучка в оптимальное квантовое состояние для данного эксперимента.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] Э. Ротунно, А. Х. Таваби, Э. Юселен, С. Фраббони, Р. Е. Дунин Борковски, Э. Карими, Б. Дж. МакМорран и В. Грилло. Формирование электронного пучка в просвечивающем электронном микроскопе: управление распространением электронного пучка вдоль столбцов атомов. физ. Rev. Appl., 11 (4): 044072, апрель 2019 г. 10.1103/​physrevapplied.11.044072.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevapplied.11.044072

[2] Дж. Хаммер, С. Томас, П. Вебер и П. Хоммельхофф. Светоделитель на основе микроволнового чипа для низкоэнергетических управляемых электронов. физ. Rev. Lett., 114 (25): 254801, 2015. 10.1103/​PhysRevLett.114.254801.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.254801

[3] Т. Шахингер, С. Леффлер, А. Штайгер-Тирсфельд, М. Штегер-Поллах, С. Шнайдер, Д. Поль, Б. Реллингхаус и П. Шаттшнайдер. ЭМИУ с электронно-вихревым фильтром: ограничения и возможности. Ультрамикроскопия, 179: 15–23, 2017. 10.1016/j.ultramic.2017.03.019.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2017.03.019

[4] Дж. Вербек, Х. Тиан и Г. Ван Тенделу. Как манипулировать наночастицами с помощью электронного луча? Доп. мат., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https://​/​doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] С. Франке-Арнольд, Л. Аллен и М. Пэджетт. Достижения в области оптического углового момента. Laser Photonics Rev., 2 (4): 299–313, 2008. 10.1002/lpor.200810007.
https: / / doi.org/ 10.1002 / lpor.200810007

[6] А. Бабазаде, М. Эрхард, Ф. Ван, М. Малик, Р. Нурузи, М. Кренн и А. Цайлингер. Высокоразмерные однофотонные квантовые вентили: концепции и эксперименты. физ. Rev. Lett., 119: 180510, ноябрь 2017 г. 10.1103/​PhysRevLett.119.180510.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[7] Р. Юхтманс, А. Беше, А. Абакумов, М. Батук, Дж. Вербек. Использование электронных вихревых пучков для определения хиральности кристаллов в просвечивающей электронной микроскопии. физ. B, 91: 094112, март 2015 г. 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 и F. Carbone. Аттосекундное когерентное управление волновыми функциями свободных электронов с использованием полубесконечных световых полей. Нац. Commun., 9 (1): 2694, 2018. 10.1038/​s41467-018-05021-x.
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-05021-х

[9] А. Файст, К.Э. Эхтеркамп, Дж. Шаусс, С.В. Ялунин, С. Шефер и К. Роперс. Квантово-когерентная оптическая фазовая модуляция в сверхбыстром просвечивающем электронном микроскопе. Nature, 521 (7551): 200–203, 2015. 10.1038/​nature14463.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14463

[10] К. Килхофер, В. Шнайдер, Д. Эбергер, А. Рябов, Ф. Краус и П. Баум. Общеоптический контроль и метрология электронных импульсов. Science, 352 (6284): 429–433, 2016. 10.1126/​science.aae0003.
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.aae0003

[11] Н. Шёненбергер, А. Миттельбах, П. Юсефи, Дж. Макнейр, У. Нидермайер и П. Хоммельхофф. Генерация и определение характеристик аттосекундных микросгруппированных электронных импульсов с помощью диэлектрического лазерного ускорения. физ. Rev. Lett., 123 (26): 264803, 2019. 10.1103/​PhysRevLett.123.264803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.264803

[12] Блиох К.Ю., Блиох Ю.П., Савельев С., Нори Ф. Квазиклассическая динамика состояний электронных волновых пакетов с фазовыми вихрями. физ. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] К.Ю. Блиох, М.Р. Деннис, Ф. Нори. Релятивистские электронные вихревые пучки: угловой момент и спин-орбитальное взаимодействие. физ. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.174802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

[14] Дж. Вербек, Х. Тиан и П. Шаттшнайдер. Получение и применение электронных вихревых пучков. Nature, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/​nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] М. Учида и А. Тономура. Генерация электронных пучков с орбитальным угловым моментом. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/​nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[16] К.Ю. Блиох, П. Шаттшнайдер, Дж. Вербек и Ф. Нори. Электронные вихревые пучки в магнитном поле: новый взгляд на уровни Ландау и состояния Ааронова-Бома. физ. 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 и F. Nori. Изображение динамики состояний Ландау свободных электронов. Нац. Commun., 5: 4586, август 2014 г. 10.1038/​ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] Г. Гуццинати, П. Шаттшнайдер, К.Ю. Блиох, Ф. Нори и Дж. Вербек. Наблюдение ларморовских и гуи-вращений с помощью электронных вихревых пучков. физ. Rev. Lett., 110: 093601, февраль 2013 г. 10.1103/​PhysRevLett.110.093601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.093601

[19] Т. Шахингер, С. Леффлер, М. Штегер-Поллах и П. Шаттшнайдер. Своеобразное вращение электронных вихревых пучков. Ультрамикроскопия, 158: 17–25, ноябрь 2015 г. ISSN 0304-3991. 10.1016/j.ultramic.2015.06.004.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2015.06.004

[20] К.Ю. Блиох, И.П. Иванов, Г. Гуццинати, Л. Кларк, Р. Ван Боксем, А. Беше, Р. Юхтманс, М.А. Алонсо, П. Шаттшнайдер, Ф. Нори и Дж. Вербек. Теория и приложения вихревых состояний свободных электронов. физ. Rep., 690: 1–70, 2017. 10.1016/j.physrep.2017.05.006.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2017.05.006

[21] М. В. Ларсен, X. Го, Ч. Р. Бреум, Дж. С. Неергаард-Нильсен и У. Л. Андерсен. Детерминированная генерация двумерного состояния кластера. Science, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

[22] К. Р. Браун, Дж. Кьяверини, Дж. М. Сейдж и Х. Хаффнер. Материальные проблемы для квантовых компьютеров с захваченными ионами. Нац. Rev. Mater., 6 (10): 892–905, 2021. 10.1038/​s41578-021-00292-1.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41578-021-00292-1

[23] М. Кьяргаард, М. Е. Шварц, Й. Браумюллер, П. Кранц, Й.И. Ван, С. Густавссон и В. Д. Оливер. Сверхпроводящие кубиты: текущее состояние дел. Анну. Преподобный Конден. Ма. С., 11: 369–395, 2020. 10.1146/​annurev-conmatphys-031119-050605.
https: / / doi.org/ 10.1146 / annurev-conmatphys-031119-050605

[24] К. Э. Брэдли, Дж. Рэндалл, М. Х. Абобейх, Р. С. Берревуэтс, М. Дж. Деген, М. А. Баккер, М. Маркхэм, Д. Д. Твитчен и Т. Х. Тамино. Твердотельный спиновой регистр на десять кубитов с квантовой памятью до одной минуты. физ. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] И. Булута, С. Ашхаб, Ф. Нори. Естественные и искусственные атомы для квантовых вычислений. Респ. прог. Phys., 74 (10): 104401, сентябрь 2011 г. 10.1088/0034-4885/74/10/104401.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​74/​10/​104401

[26] А. Чаттерджи, П. Стивенсон, С. Де Франчески, А. Морелло, Н.П. де Леон и Ф. Куеммет. Полупроводниковые кубиты на практике. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Процитировано: 91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] О. Рейнхардт, К. Мечел, М. Линч, И. Каминер. Кубиты со свободными электронами. Анна. Phys., 533 (2): 2000254, 2021. 10.1002/​andp.202000254.
https: / / doi.org/ 10.1002 / andp.202000254

[28] Р. Руйми, А. Горлач, К. Мечел, Н. Ривера, И. Каминер. На пути к квантовым измерениям атомарного разрешения со свободными электронами когерентной формы. физ. Rev. Lett., 126 (23): 233403, июнь 2021 г. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

[29] М.В. Царев, А. Рябов, П. Баум. Кубиты со свободными электронами и максимально контрастные аттосекундные импульсы через временное возрождение Тальбота. физ. Rev. Research, 3 (4): 043033, октябрь 2021 г. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / Physrevresearch.3.043033

[30] С. Леффлер. Унитарные квантовые операторы с двумя состояниями, реализованные квадрупольными полями в электронном микроскопе. Ultramicroscopy, 234: 113456, 2022. 10.1016/​j.ultramic.2021.113456.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113456

[31] П. Шаттшнайдер, М. Штегер-Поллах и Дж. Вербек. Новый вихревой генератор и преобразователь мод для электронных пучков. физ. Rev. Lett., 109 (8): 084801, 2012. 10.1103/​PhysRevLett.109.084801.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.084801

[32] Т. Шахингер, П. Хартель, П. Лу, С. Леффлер, М. Обермайр, М. Дрис, Д. Гертсен, Р. Е. Дунин-Борковски и П. Шаттшнайдер. Экспериментальная реализация преобразователя вихревых мод $pi/​2$ для электронов с использованием корректора сферических аберраций. Ультрамикроскопия, 229: 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] Д. Карловец. Релятивистские вихревые электроны: параксиальные и непараксиальные режимы. физ. Rev. A, 98: 012137, июль 2018 г. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

[34] Л. Кларк, А. Беше, Г. Гуццинати и Дж. Вербек. Количественное измерение орбитального углового момента в электронной микроскопии. 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] Г. Гуццинати, Л. Кларк, А. Беше и Дж. Вербек. Измерение орбитального углового момента электронных пучков. 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] Б. Дж. МакМорран, Т. Р. Харви и М. Дж. Лавери. Эффективная сортировка орбитального момента свободного электрона. New J. Phys., 19 (2): 023053, 2017. 10.1088/​1367-2630/​aa5f6f.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aa5f6f

[37] В. Грилло, А. Х. Таваби, Ф. Вентури, Х. Ларок, Р. Бальбони, Г. Г. Газзади, С. Фраббони, П. . Лу, Э. Мафакери, Ф. Бушар, Р. Е. Дунин-Борковски, Р. В. Бойд, М. Дж. Лавери, М. Дж. Пэджетт и Э. Карими. Измерение спектра орбитального углового момента электронного пучка. Нац. Commun., 8: 15536, 2017. 10.1038/​ncomms15536.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms15536

[38] Г. Поцци, В. Грилло, П. Лу, А. Х. Таваби, Э. Карими и Р. Е. Дунин-Борковски. Разработка электростатических фазовых элементов для сортировки орбитального углового момента электронов. Ультрамикроскопия, 208: 112861, 2020. 10.1016/​j.ultramic.2019.112861.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2019.112861

[39] А. Х. Таваби, П. Рози, Э. Ротунно, А. Ронкалья, Л. Бельсито, С. Фраббони, Г. Поцци, Г. Г. Газзади, П. Лу, Р. Ниджланд, М. Гош, П. Тимейер, Э. Карими, Р. Е. Дунин-Борковский и В. Грилло. Экспериментальная демонстрация электростатического сортировщика по орбитальному угловому моменту для электронных пучков. физ. Rev. Lett., 126 (9): 094802, март 2021 г. 10.1103/​physrevlett.126.094802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen и MJ Padgett. Эффективная сортировка состояний света по орбитальному угловому моменту. физ. Rev. Lett., 105 (15): 153601, 2010. 10.1103/​PhysRevLett.105.153601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.153601

[41] К. Крамбергер, С. Леффлер, Т. Шахингер, П. Хартель, Дж. Зак и П. Шаттшнайдер. Преобразователи мод π/​2 и генераторы вихрей для электронов. Ультрамикроскопия, 204: 27–33, сентябрь 2019 г. 10.1016/​j.ultramic.2019.05.003.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2019.05.003

[42] А. Беше, Р. Ван Боксем, Г. Ван Тенделу и Дж. Вербек. Поле магнитного монополя, экспонируемое электронами. Нац. Phys., 10 (1): 26–29, декабрь 2013 г. ISSN 1745-2481. 10.1038/nphys2816.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2816

[43] М. Дрис, М. Обермайр, С. Геттлер, П. Германн, К. Зееманн, Ф. Зайфрид, С. Ульрих, Р. Фишер и Д. Гертсен. Безоксидные фазовые пластины $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ для просвечивающей электронной микроскопии. Ультрамикроскопия, 189: 39–45, июнь 2018 г. 10.1016/​j.ultramic.2018.03.003.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2018.03.003

[44] А. Лубк, Л. Кларк, Г. Гуццинати и Дж. Вербек. Топологический анализ параксиально рассеянных электронных вихревых пучков. физ. Rev. A, 87: 033834, март 2013 г. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] А.Ю. Китаев. Отказоустойчивые вычисления anyons. Анна. Phys., 303: 2–30, 2003. 10.1016/S0003-4916(02)00018-0.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00018-0

[46] Х. Окамото. Ошибки измерения в электронной микроскопии с использованием запутывания. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.063828

[47] П. Шаттшнайдер и С. Леффлер. Запутанность и декогеренция в электронной микроскопии. Ультрамикроскопия, 190: 39–44, 2018. 10.1016/j.ultramic.2018.04.007.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2018.04.007

[48] П. Шаттшнайдер, С. Леффлер, Х. Голлиш и Р. Федер. Запутанность и энтропия в электрон-электронном рассеянии. J. Электронная спектроскопия. Относ. Phenom., 241: 146810, 2020. 10.1016/j.elspec.2018.11.009.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.elspec.2018.11.009

[49] Р. Хайндл, А. Файст, Т. Домрозе, М. Мёллер, Дж. Х. Гайда, С. В. Ялунин и К. Роперс. Кулоновски коррелированные состояния числа электронов в пучке просвечивающей электронной микроскопии. Nature Physics, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] С. Мейер, Дж. Хеймерл и П. Хоммельхофф. Малоэлектронные корреляции после сверхбыстрой фотоэмиссии с кончиков нанометровых игл. Nature Physics, 2023. 10.1038/​s41567-023-02059-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02059-7

[51] М. Шойхер, Т. Шахингер, Т. Шпилауэр, М. Штегер-Поллах и П. Хаслингер. Различение когерентной и некогерентной катодолюминесценции с использованием временных фотонных корреляций. Ultramicroscopy, 241: 113594, ноябрь 2022 г. 10.1016/​j.ultramic.2022.113594.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

[52] А. Конечна, Ф. Ийиканат и Ф. Дж. Гарсия де Абахо. Запутывание свободных электронов и оптические возбуждения. науч. Adv., 8 (47): eabo7853, ноябрь 2022 г. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] С. Леффлер, С. Сак и Т. Шахингер. Упругое распространение вихрей быстрых электронов через аморфные материалы. Акта Кристаллогр. А, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Цитируется

Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал