Kvantna logična vrata za proste elektrone

Kvantna logična vrata za proste elektrone

Časovni žig: 11. julij 2023 4
Izvorno vozlišče: 2768981

Stefan Löffler1, Thomas Schachinger1,2, Peter Hartel3, Peng-Han Lu4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski4, Martin Obermair6, Manuel Dries6, Dagmar Gerthsen6, in Peter Schattschneider1,2

1Univerzitetni storitveni center za transmisijsko elektronsko mikroskopijo, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Avstrija
2Inštitut za fiziko trdne snovi, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Avstrija
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Nemčija
4Ernst Ruska-Center za mikroskopijo in spektroskopijo z elektroni (ER-C) in Peter Grünberg Institute, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Nemčija
5Univerza RWTH Aachen, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Nemčija
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Nemčija

Se vam zdi ta članek zanimiv ali želite razpravljati? Zaslišite ali pustite komentar na SciRate.

Minimalizem

Topološki naboj $m$ vrtinčnih elektronov obsega neskončnodimenzionalni Hilbertov prostor. Če izberete dvodimenzionalni podprostor, ki ga razteza $m=pm 1$, lahko žarkovni elektron v transmisijskem elektronskem mikroskopu (TEM) obravnavamo kot kvantni bit (qubit), ki se prosto širi v stolpcu. Kombinacija elektronskih optičnih kvadrupolnih leč lahko služi kot univerzalna naprava za manipulacijo takih kubitov po presoji eksperimentatorja. Postavili smo sondo TEM, ki tvori sistem leč kot kvantna vrata, in numerično in eksperimentalno prikazali njeno delovanje. Vrhunski TEM s korektorji aberacije so obetavna platforma za takšne poskuse, ki odpirajo pot za preučevanje kvantnih logičnih vrat v elektronskem mikroskopu.

Predstavljena slika: Levo: Shema elektronsko-optične nastavitve. Sredina: vpadna valovna funkcija. Desno: Transformirana izhodna valovna funkcija in eksperimentalna porazdelitev intenzivnosti.

Priljubljen povzetek

Ta eksperiment dokazovanja načela kaže, da se prosti elektroni v transmisijskem elektronskem mikroskopu (TEM) lahko uporabljajo kot kubiti, gradniki za kvantne računalnike. Predstavljamo kvantna logična vrata, ki lahko pretvorijo te kubite iz enega stanja v drugo. S prostorsko ločljivostjo do atomskih dimenzij je TEM idealen za preučevanje osnov kvantne manipulacije. Poleg možnih aplikacij v kvantnem računalništvu ta študija tudi utira pot za znatno izboljšanje učinkovitosti TEM s transformacijo elektronskega žarka v optimalno kvantno stanje za dani eksperiment.

► BibTeX podatki

► Reference

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran in V. Grillo. Oblikovanje elektronskega žarka v transmisijskem elektronskem mikroskopu: Nadzor širjenja elektronskega žarka vzdolž atomskih stebrov. 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 in P. Hommelhoff. Razdelilnik žarka na osnovi mikrovalovnega čipa za nizkoenergijske vodene elektrone. 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 in P. Schattschneider. EMCD z elektronskim vrtinčnim filtrom: Omejitve in možnosti. 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 in G. Van Tendeloo. Kako manipulirati z nanodelci z elektronskim žarkom? Adv. Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https://​/​doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen in M. Padgett. Napredek pri optičnem kotnem momentu. 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 in A. Zeilinger. Visokodimenzionalna enofotonska kvantna vrata: Koncepti in poskusi. Phys. Rev. Lett., 119: 180510, november 2017. 10.1103/​PhysRevLett.119.180510.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[7] R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumov, M. Batuk in J. Verbeeck. Uporaba elektronskih vrtinčnih žarkov za določanje kiralnosti kristalov v transmisijski elektronski mikroskopiji. Phys. B, 91: 094112, marec 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 in F. Carbone. Attosekundni koherentni nadzor valovnih funkcij prostih elektronov z uporabo polneskončnih svetlobnih polj. 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 in C. Ropers. Kvantna koherentna optična fazna modulacija v ultrahitrem transmisijskem elektronskem mikroskopu. Narava, 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 in P. Baum. Vseoptični nadzor in meroslovje elektronskih impulzov. Znanost, 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 in P. Hommelhoff. Generiranje in karakterizacija atosekundnih nizov elektronskih impulzov z dielektričnim laserjem. 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 in F. Nori. Polklasična dinamika stanj valovnega paketa elektronov s faznimi vrtinci. Phys. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, MR Dennis in F. Nori. Relativistični elektronski vrtinčni žarki: vrtilna količina in interakcija spin-orbita. Phys. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.174802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian in P. Schattschneider. Proizvodnja in uporaba elektronskih vrtinčnih žarkov. Narava, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/​nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] M. Uchida in A. Tonomura. Generiranje elektronskih žarkov, ki prenašajo orbitalno kotno količino. Nat., 464: 737–739, 04. 2010. 10.1038/​nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck in F. Nori. Elektronski vrtinčni žarki v magnetnem polju: nov zasuk na Landauovih nivojih in Aharonov-Bohmovih stanjih. 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 in F. Nori. Prikazovanje dinamike Landauovih stanj prostih elektronov. Nat. Commun., 5: 4586, avgust 2014. 10.1038/​ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori in J. Verbeeck. Opazovanje Larmorjeve in Gouyeve rotacije z elektronskimi vrtinčnimi žarki. 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 in P. Schattschneider. Svojevrstna rotacija elektronskih vrtinčnih žarkov. 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 in J. Verbeeck. Teorija in aplikacije vrtinčnih stanj prostih elektronov. 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 in UL Andersen. Deterministično generiranje dvodimenzionalnega stanja grozda. Znanost, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage in H. Häffner. Izzivi materialov za kvantne računalnike z ujetimi ioni. 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 in WD Oliver. Superprevodni kubiti: trenutno stanje. 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 in TH Taminiau. Desetkubitni polprevodniški vrtilni register s kvantnim pomnilnikom do ene minute. Phys. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab in F. Nori. Naravni in umetni atomi za kvantno računanje. Rep. Prog. Phys., 74 (10): 104401, september 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 in F. Kuemmeth. Polprevodniški kubiti v praksi. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Citirano: 91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch in I. Kaminer. Kubiti prostih elektronov. 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 in I. Kaminer. K kvantnim meritvam atomske ločljivosti s koherentno oblikovanimi prostimi elektroni. Phys. Rev. Lett., 126 (23): 233403, junij 2021. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov in P. Baum. Kubiti s prostimi elektroni in atosekundni impulzi z največjim kontrastom prek časovnih oživitev talbota. Phys. Rev. Research, 3 (4): 043033, oktober 2021. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

[30] S. Löffler. Unitarni kvantni operatorji dveh stanj, realizirani s kvadrupolnimi polji v elektronskem mikroskopu. 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 in J. Verbeeck. Nov vrtinčni generator in pretvornik načinov za elektronske žarke. 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 in P. Schattschneider. Eksperimentalna izvedba vrtinčnega pretvornika $pi/​2$ za elektrone z uporabo korektorja sferične aberacije. Ultramikroskopija, 229: 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karlovec. Relativistični vrtinčni elektroni: Paraksialni proti neparaksialnim režimom. Phys. Rev. A, 98: 012137, julij 2018. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati in J. Verbeeck. Kvantitativno merjenje orbitalnega kotnega momenta v elektronski mikroskopiji. 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 in J. Verbeeck. Merjenje orbitalne vrtilne količine elektronskih žarkov. Physical Review A – Atomska, molekularna in optična fizika, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMorran, TR Harvey in MPJ Lavery. Učinkovito razvrščanje orbitalne količine prostega elektrona. 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 in E. Karimi. Merjenje spektra orbitalne vrtilne količine elektronskega žarka. 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 in RE Dunin-Borkowski. Zasnova elektrostatičnih faznih elementov za razvrščanje orbitalne kotne količine elektronov. 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 in V. Grillo. Eksperimentalna demonstracija elektrostatičnega orbitalnega sortirnika kotnega momenta za elektronske žarke. Phys. Rev. Lett., 126 (9): 094802, marec 2021. 10.1103/​physrevlett.126.094802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen in MJ Padgett. Učinkovito razvrščanje orbitalnih stanj kotne količine svetlobe. 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 in P. Schattschneider. Pretvorniki načina π/​2 in vrtinčni generatorji za elektrone. 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 in J. Verbeeck. Magnetno monopolno polje, izpostavljeno elektronom. Nat. Phys., 10 (1): 26–29, december 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 in D. Gerthsen. $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ fazne plošče za transmisijsko elektronsko mikroskopijo brez oksida. Ultramicroscopy, 189: 39–45, junij 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 in J. Verbeeck. Topološka analiza paraksialno razpršenih elektronskih vrtinčnih žarkov. Phys. Rev. A, 87: 033834, marec 2013. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Računalništvo, odporno na napake, ki ga izvaja kdorkoli. 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. Merske napake pri elektronski mikroskopiji s pomočjo prepletanja. Fizični pregled A – Atomska, molekularna in optična fizika, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneider in S. Löffler. Prepletanje in dekoherenca v elektronski mikroskopiji. 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 in R. Feder. Prepletenost in entropija pri sipanju med elektroni. 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 in C. Ropers. Coulombovo korelirana stanja elektronskega števila v žarku transmisijskega elektronskega mikroskopa. Fizika narave, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl in P. Hommelhoff. Nekajelektronske korelacije po ultrahitri fotoemisiji iz nanometričnih igelnih konic. Fizika narave, 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 in P. Haslinger. Razločevanje koherentne in nekoherentne katodoluminiscence z uporabo časovnih fotonskih korelacij. Ultramikroskopija, 241: 113594, nov 2022. 10.1016/​j.ultramic.2022.113594.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

[52] A. Konečná, F. Iyikanat in FJ García de Abajo. Prepletanje prostih elektronov in optična vzbujanja. Sci. Adv., 8 (47): eabo7853, nov 2022. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack in T. Schachinger. Elastično širjenje hitrih elektronskih vrtincev skozi amorfne materiale. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Navedel

Ta dokument je objavljen v Quantumu pod Priznanje avtorstva Creative Commons 4.0 International (CC BY 4.0) licenca. Avtorske pravice ostajajo pri izvirnih imetnikih avtorskih pravic, kot so avtorji ali njihove ustanove.

Časovni žig:

Več od Quantum Journal