En Quantum Logic Gate för gratis elektroner

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Stefan Löffler¹, Thomas Schachinger^1,2, Peter Hartel³, Peng-Han Lu^4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski⁴, Martin Obermair⁶, Manuel Dries⁶, Dagmar Gerthsen⁶, och Peter Schattschneider^1,2

¹University Service Center for Transmission Electron Microscopy, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Österrike
²Institute of Solid State Physics, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Österrike
³CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Tyskland
⁴Ernst Ruska-center för mikroskopi och spektroskopi med elektroner (ER-C) och Peter Grünberg Institute, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Tyskland
⁵RWTH Aachen University, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Tyskland
⁶Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Tyskland

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Den topologiska laddningen $m$ av virvelelektroner spänner över ett oändligt dimensionellt Hilbert-rum. Genom att välja ett tvådimensionellt delrum som spänner över $m=pm 1$, kan en strålelektron i ett transmissionselektronmikroskop (TEM) betraktas som en kvantbit (qubit) som fritt fortplantar sig i kolonnen. En kombination av elektronoptiska fyrpoliga linser kan fungera som en universell anordning för att manipulera sådana qubits efter försöksledarens gottfinnande. Vi sätter upp ett TEM-sondbildande linssystem som en kvantport och demonstrerar dess verkan numeriskt och experimentellt. Avancerade TEM:er med aberrationskorrigerare är en lovande plattform för sådana experiment, vilket öppnar vägen för att studera kvantlogiska grindar i elektronmikroskopet.

Utvald bild: Vänster: Schematisk över den elektronoptiska installationen. Mitten: Incident vågfunktion. Höger: Transformerad utgående vågfunktion och experimentell intensitetsfördelning.

Populär sammanfattning

Detta proof-of-princip-experiment visar att fria elektroner i ett transmissionselektronmikroskop (TEM) kan användas som qubits, byggstenarna för kvantdatorer. Vi demonstrerar en kvantlogisk grind som kan transformera dessa qubits från ett tillstånd till ett annat. Med en rumslig upplösning ner till atomära dimensioner är TEM idealiskt för studier av grunderna för kvantmanipulation. Förutom de möjliga tillämpningarna inom kvantberäkning banar denna studie också vägen för att avsevärt förbättra TEM:s effektivitet genom att omvandla elektronstrålen till ett optimalt kvanttillstånd för ett givet experiment.

► BibTeX-data

@article{Loffler2023quantumlogicgate, doi = {10.22331/q-2023-07-11-1050}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-07-11-1050}, title = {A quantum logisk port för fria elektroner}, författare = {L{“{o}}ffler, Stefan och Schachinger, Thomas och Hartel, Peter och Lu, Peng-Han och Dunin-Borkowski, Rafal E. och Obermair, Martin och Dries, Manuel och Gerthsen, Dagmar och Schattschneider, Peter}, tidskrift = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, utgivare = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volym = {7}, sidor = {1050}, månad = jul, år = {2023} }

► Referenser

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran och V. Grillo. Elektronstråleformning i transmissionselektronmikroskopet: Styrning av elektronstråleutbredning längs atomkolumner. 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 och P. Hommelhoff. Mikrovågschip-baserad stråldelare för lågenergiledda elektroner. 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 och P. Schattschneider. EMCD med ett elektronvirvelfilter: Begränsningar och möjligheter. 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 och G. Van Tendeloo. Hur man manipulerar nanopartiklar med en elektronstråle? Adv. Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/adma.201204206.
https:///doi.org/10.1002/adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen och M. Padgett. Framsteg i optisk vinkelmomentum. 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 och A. Zeilinger. Högdimensionella enfoton-kvantportar: koncept och experiment. Phys. Rev. Lett., 119: 180510, nov 2017. 10.1103/PhysRevLett.119.180510.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[7] R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumov, M. Batuk och J. Verbeeck. Använda elektronvirvelstrålar för att bestämma kiraliteten hos kristaller i transmissionselektronmikroskopi. Phys. Rev. B, 91: 094112, mars 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 och F. Carbone. Attosecond koherent styrning av fria elektronvågfunktioner med hjälp av semi-oändliga ljusfält. 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 och C. Ropers. Kvantkoherent optisk fasmodulering i ett ultrasnabbt transmissionselektronmikroskop. 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 och P. Baum. Heloptisk styrning och mätning av elektronpulser. 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 och P. Hommelhoff. Generering och karakterisering av attosekunds mikrobuntade elektronpulståg via dielektrisk laseracceleration. 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 och F. Nori. Semiklassisk dynamik för elektronvågspakettillstånd med fasvirvlar. Phys. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, MR Dennis och F. Nori. Relativistiska elektronvirvelstrålar: Vinkelmoment och spin-omloppsinteraktion. Phys. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/PhysRevLett.107.174802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian och P. Schattschneider. Produktion och applicering av elektronvirvelstrålar. Nature, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] M. Uchida och A. Tonomura. Generering av elektronstrålar som bär omloppsrörelsemängd. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck och F. Nori. Elektronvirvelstrålar i ett magnetfält: En ny vändning på Landau-nivåer och Aharonov-Bohm-tillstånd. 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 och F. Nori. Avbilda dynamiken i frielektron Landau-tillstånd. Nat. Commun., 5: 4586, augusti 2014. 10.1038/ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori och J. Verbeeck. Observation av Larmor- och Gouy-rotationerna med elektronvirvelstrålar. Phys. Rev. Lett., 110: 093601, februari 2013. 10.1103/PhysRevLett.110.093601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach och P. Schattschneider. Speciell rotation av elektronvirvelstrålar. 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 och J. Verbeeck. Teori och tillämpningar av frielektronvirveltillstånd. 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 och UL Andersen. Deterministisk generering av ett tvådimensionellt klustertillstånd. Science, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage och H. Häffner. Materialutmaningar för kvantdatorer med fångade joner. 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 och WD Oliver. Supraledande qubits: Aktuellt läge. 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 och TH Taminiau. Ett tio-qubit solid-state spinregister med kvantminne upp till en minut. Phys. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab och F. Nori. Naturliga och konstgjorda atomer för kvantberäkning. 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 och F. Kuemmeth. Halvledare qubits i praktiken. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/s42254-021-00283-9. Citerad av :91.
https://doi.org/10.1038/s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch och I. Kaminer. Fri-elektron qubits. Ann. Phys., 533 (2): 2000254, 2021. 10.1002/ochp.202000254.
https: / / doi.org/ 10.1002 / andp.202000254

[28] R. Ruimy, A. Gorlach, C. Mechel, N. Rivera och I. Kaminer. Mot atomupplösning kvantmätningar med koherent formade fria elektroner. Phys. Rev. Lett., 126 (23): 233403, jun 2021. 10.1103/physrevlett.126.233403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov och P. Baum. Fri-elektron-qubits och maximal-kontrast attosecond-pulser via temporala talbot-återupplivningar. Phys. Rev. Research, 3 (4): 043033, okt 2021. 10.1103/physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

[30] S. Löffler. Enhetskvantoperatorer i två tillstånd realiserade av kvadrupolfält i elektronmikroskopet. 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 och J. Verbeeck. Ny virvelgenerator och modomvandlare för elektronstrålar. 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 och P. Schattschneider. Experimentell realisering av en $pi/2$ virvellägesomvandlare för elektroner med hjälp av en sfärisk aberrationskorrigerare. Ultramicroscopy, 229: 113340, 2021. 10.1016/j.ultramic.2021.113340.
https:///doi.org/10.1016/j.ultramic.2021.113340

[33] D. Karlovets. Relativistiska virvelelektroner: Paraxiella kontra icke-paraxiella regimer. Phys. Rev. A, 98: 012137, juli 2018. 10.1103/PhysRevA.98.012137.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati och J. Verbeeck. Kvantitativ mätning av orbital rörelsemängd i elektronmikroskopi. 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 och J. Verbeeck. Mätning av omloppsrörelsemängden för elektronstrålar. 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] BJ McMorran, TR Harvey och MPJ Lavery. Effektiv sortering av fri elektronomloppsrörelse. 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 och E. Karimi. Mätning av det orbitala vinkelmomentspektrumet för en elektronstråle. 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 och RE Dunin-Borkowski. Design av elektrostatiska faselement för sortering av elektronernas rörelsemängd. 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 och V. Grillo. Experimentell demonstration av en elektrostatisk orbital vinkelmomentsorterare för elektronstrålar. Phys. 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 och MJ Padgett. Effektiv sortering av ljusets vinkelmomenttillstånd. 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 och P. Schattschneider. π/2-modomvandlare och virvelgeneratorer för elektroner. 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 och J. Verbeeck. Magnetiskt monopolfält exponerat av elektroner. 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 och D. Gerthsen. Oxidfria $text{aC}/text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/text{aC}$ fasplattor för transmissionselektronmikroskopi. Ultramicroscopy, 189: 39–45, jun 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 och J. Verbeeck. Topologisk analys av paraxiellt spridda elektronvirvelstrålar. Phys. Rev. A, 87: 033834, mars 2013. 10.1103/PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Feltolerant beräkning av vem som helst. 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. Mätfel i intrasslingsassisterad elektronmikroskopi. 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] P. Schattschneider och S. Löffler. Entanglement och dekoherens i elektronmikroskopi. 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 och R. Feder. Entanglement och entropi i elektron-elektronspridning. 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 och C. Ropers. Coulomb-korrelerade elektronnummertillstånd i en transmissionselektronmikroskopstråle. Nature Physics, 2023. 10.1038/s41567-023-02067-7.
https://doi.org/10.1038/s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl och P. Hommelhoff. Få-elektronkorrelationer efter ultrasnabb fotoemission från nanometriska nålspetsar. Nature Physics, 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 och P. Haslinger. Diskriminering av koherent och inkoherent katodoluminescens med hjälp av temporala fotonkorrelationer. 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 och FJ García de Abajo. Intrassling av fria elektroner och optiska excitationer. Sci. Adv., 8 (47): eabo7853, nov 2022. 10.1126/sciadv.abo7853.
https:///doi.org/10.1126/sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack och T. Schachinger. Elastisk utbredning av snabba elektronvirvlar genom amorfa material. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Citerad av

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.

SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
Platoesg. Fordon / elbilar, Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
BlockOffsets. Modernisera miljökompensation ägande. Tillgång här.
Källa: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-07-11-1050/

Tidsstämpel: Juli 11, 2023

Tidsstämpel: Juni 1, 2023

En kvantlogisk grind för fria elektroner

Återutgiven av Platon

Abstrakt

Populär sammanfattning

► BibTeX-data

► Referenser

Citerad av

Mer från Quantum Journal

Genomsnittlig fallverifiering av Quantum Fourier-transformen möjliggör värsta fall-fasuppskattning

Resursteori om orsakssamband

Bias-skräddarsydda kvant-LDPC-koder

En skalbar och snabb artificiell neural nätverkssyndromavkodare för ytkoder

Dissipativa fasövergångar i $n$-fotondrivna kvantolinjära resonatorer

Robusta kvantmångkroppsärr i gittermåttsteorier

Betydelsessampling för stokastiska kvantsimuleringar

Termometri av Gaussiska kvantsystem med Gaussiska mätningar

"Rätta" skiftregler för derivator av störda parametriska kvantevolutioner

På Quantum Speedups för Nonconvex Optimization via Quantum Tunneling Walks

Orsaksstruktur i närvaro av sektoriella begränsningar, med tillämpning på kvantomkopplaren

Om Oss

Vertikal sökning och Ai

plattform

Håll kontakten

Konto