Serbest elektronlar için bir kuantum mantık kapısı

Serbest elektronlar için bir kuantum mantık kapısı

Kaynak Düğüm: 2768981

Stefan Löffler1, Thomas Schachinger1,2, Peter Hartel3, Peng-Han Lu4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski4, Martin Obermair6, Manuel Kurur6, Dagmar Gerthsen6, ve Peter Schattschneider1,2

1Transmisyon Elektron Mikroskobu Üniversitesi Hizmet Merkezi, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Avusturya
2Katı Hal Fiziği Enstitüsü, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Avusturya
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Almanya
4Ernst Ruska-Elektronlarla Mikroskopi ve Spektroskopi Merkezi (ER-C) ve Peter Grünberg Enstitüsü, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Almanya
5RWTH Aachen Üniversitesi, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Almanya
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Almanya

Bu makaleyi ilginç mi buldunuz yoksa tartışmak mı istiyorsunuz? SciRate'e çığlık at veya yorum bırak.

Özet

Girdap elektronlarının $m$ topolojik yükü sonsuz boyutlu bir Hilbert uzayını kapsar. $m=pm 1$ kadar uzanan iki boyutlu bir alt uzay seçildiğinde, transmisyon elektron mikroskobundaki (TEM) bir ışın elektronu, sütunda serbestçe yayılan bir kuantum biti (qubit) olarak düşünülebilir. Elektron optik dört kutuplu lenslerin bir kombinasyonu, deneycinin takdirine bağlı olarak bu tür kübitleri manipüle etmek için evrensel bir cihaz olarak hizmet edebilir. Bir kuantum kapısı olarak mercek sistemi oluşturan bir TEM probu kurduk ve eylemini sayısal ve deneysel olarak gösterdik. Sapma düzelticilere sahip üst düzey TEM'ler, bu tür deneyler için umut verici bir platform olup, elektron mikroskobunda kuantum mantık kapılarını incelemenin yolunu açıyor.

Bu prensip kanıtı deneyi, transmisyon elektron mikroskobundaki (TEM) serbest elektronların kuantum bilgisayarların yapı taşları olan kubitler olarak kullanılabileceğini gösteriyor. Bu kübitleri bir durumdan diğerine dönüştürebilen bir kuantum mantık kapısını gösteriyoruz. Atomik boyutlara kadar uzaysal çözünürlüğü ile TEM, kuantum manipülasyonunun temellerinin incelenmesi için idealdir. Kuantum hesaplamadaki olası uygulamalara ek olarak, bu çalışma aynı zamanda belirli bir deney için elektron ışınını en uygun kuantum durumuna dönüştürerek TEM'in verimliliğini önemli ölçüde artırmanın yolunu da açıyor.

► BibTeX verileri

► Referanslar

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yücelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran ve V. Grillo. Transmisyon elektron mikroskobunda elektron ışınının şekillendirilmesi: Atomik sütunlar boyunca elektron ışın yayılımının kontrolü. Fizik. Rev. Başvurusu, 11 (4): 044072, Nisan 2019. 10.1103/​physrevapplied.11.044072.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevapplied.11.044072

[2] J. Hammer, S. Thomas, P. Weber ve P. Hommelhoff. Düşük enerjili yönlendirilmiş elektronlar için mikrodalga çip tabanlı ışın ayırıcı. Fizik. 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 ve P. Schattschneider. Elektron girdap filtreli EMCD: Sınırlamalar ve olasılıklar. Ultramikroskopi, 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 ve G. Van Tendeloo. Nanopartiküller elektron ışınıyla nasıl işlenir? Av. Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https:/​/​doi.org/10.1002/​adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen ve M. Padgett. Optik açısal momentumdaki gelişmeler. 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 ve A. Zeilinger. Yüksek boyutlu tek fotonlu kuantum kapıları: Kavramlar ve deneyler. Fizik. Rev. Lett., 119: 180510, Kasım 2017. 10.1103/​PhysRevLett.119.180510.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[7] R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumov, M. Batuk ve J. Verbeeck. Transmisyon elektron mikroskobunda kristallerin kiralitesini belirlemek için elektron girdap ışınlarının kullanılması. Fizik. Rev. B, 91: 094112, Mart 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 ve F. Carbone. Yarı sonsuz ışık alanları kullanılarak serbest elektron dalga fonksiyonlarının attosaniye tutarlı kontrolü. 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 ve C. Ropers. Ultra hızlı transmisyon elektron mikroskobunda kuantum tutarlı optik faz modülasyonu. 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 ve P. Baum. Elektron darbelerinin tamamen optik kontrolü ve metrolojisi. 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 ve P. Hommelhoff. Dielektrik lazer hızlandırma yoluyla attosaniye mikro gruplu elektron darbe dizilerinin üretilmesi ve karakterizasyonu Fizik. 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 ve F. Nori. Faz girdaplı elektron dalga paketi durumlarının yarı klasik dinamiği. Fizik. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, MR Dennis ve F. Nori. Göreli elektron girdap ışınları: Açısal momentum ve spin-yörünge etkileşimi. Fizik. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.174802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian ve P. Schattschneider. Elektron girdap ışınlarının üretimi ve uygulaması. Nature, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/​nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] M. Uchida ve A. Tonomura. Yörüngesel açısal momentum taşıyan elektron ışınlarının üretilmesi. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/​nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck ve F. Nori. Manyetik alandaki elektron girdap ışınları: Landau seviyelerinde ve Aharonov-Bohm durumlarında yeni bir bükülme. Fizik. 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 ve F. Nori. Serbest elektron Landau durumlarının dinamiklerinin görüntülenmesi. Nat. Commun., 5: 4586, Ağustos 2014. 10.1038/​ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori ve J. Verbeeck. Larmor ve Gouy Dönmelerinin Elektron Vorteks Işınlarıyla Gözlemlenmesi. Fizik. Rev. Lett., 110: 093601, Şubat 2013. 10.1103/​PhysRevLett.110.093601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach ve P. Schattschneider. Elektron girdap ışınlarının tuhaf dönüşü. Ultramikroskopi, 158: 17–25, Kasım 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 ve J. Verbeeck. Serbest elektron girdap durumlarının teorisi ve uygulamaları. Fizik. 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 ve UL Andersen. İki boyutlu bir küme durumunun deterministik üretimi. Science, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage ve H. Häffner. Tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarları için malzeme zorlukları. 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 ve WD Oliver. Süper iletken kübitler: Mevcut durum. Annu. Rahip Conden. Anne. 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 ve TH Taminiau. Bir dakikaya kadar kuantum belleğe sahip on kübitlik katı hal dönüş kaydı. Fizik. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab ve F. Nori. Kuantum hesaplaması için doğal ve yapay atomlar. Temsilci Prog. Phys., 74 (10): 104401, Eylül 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 ve F. Kuemmeth. Pratikte yarı iletken kübitler. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Alıntı: 91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch ve I. Kaminer. Serbest elektron kübitleri. Ann. Phys., 533 (2): 2000254, 2021. 10.1002/​vep.202000254.
https: / / doi.org/ 10.1002 / andp.202000254

[28] R. Ruimy, A. Gorlach, C. Mechel, N. Rivera ve I. Kaminer. Tutarlı şekilli serbest elektronlarla atomik çözünürlüklü kuantum ölçümlerine doğru. Fizik. Rev. Lett., 126 (23): 233403, haziran 2021. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov ve P. Baum. Serbest elektron kübitleri ve zamansal talbot canlanmaları yoluyla maksimum kontrastlı attosaniye darbeleri. Fizik. Rev. Research, 3 (4): 043033, ekim 2021. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

[30] S. Löffler. Elektron mikroskobundaki dört kutuplu alanlar tarafından gerçekleştirilen üniter iki durumlu kuantum operatörleri. Ultramikroskopi, 234: 113456, 2022. 10.1016/​j.ultramic.2021.113456.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113456

[31] P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach ve J. Verbeeck. Elektron ışınları için yeni girdap üreteci ve mod dönüştürücü. Fizik. 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 ve P. Schattschneider. Küresel sapma düzeltici kullanılarak elektronlar için $pi/​2$ girdap modu dönüştürücünün deneysel olarak gerçekleştirilmesi. Ultramikroskopi, 229: 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] D.Karlovets. Göreli girdap elektronları: Paraksiyel ve paraksiyel olmayan rejimler. Fizik. Rev. A, 98: 012137, Temmuz 2018. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati ve J. Verbeeck. Elektron mikroskobunda yörünge açısal momentumunun nicel ölçümü. Fiziksel İnceleme A – Atomik, Moleküler ve Optik Fizik, 89 (5): 053818, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.053818.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.053818

[35] G. Guzzinati, L. Clark, A. Béché ve J. Verbeeck. Elektron ışınlarının yörüngesel açısal momentumunun ölçülmesi. Fiziksel İnceleme A – Atomik, Moleküler ve Optik Fizik, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMorran, TR Harvey ve MPJ Lavery. Serbest elektronun yörüngesel açısal momentumunun verimli bir şekilde sınıflandırılması. 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 ve E. Karimi. Bir elektron ışınının yörüngesel açısal momentum spektrumunun ölçülmesi. 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 ve RE Dunin-Borkowski. Elektronların yörüngesel açısal momentumunu sıralamak için elektrostatik faz elemanlarının tasarımı. Ultramikroskopi, 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 ve V. Grillo. Elektron ışınları için elektrostatik yörünge açısal momentum ayırıcısının deneysel gösterimi. Fizik. Rev. Lett., 126 (9): 094802, mart 2021. 10.1103/​physrevlett.126.094802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen ve MJ Padgett. Işığın yörüngesel açısal momentum durumlarının verimli bir şekilde sınıflandırılması. Fizik. 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 ve P. Schattschneider. Elektronlar için π/​2 modlu dönüştürücüler ve girdap üreteçleri. Ultramikroskopi, 204: 27–33, Eylül 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 ve J. Verbeeck. Elektronların maruz kaldığı manyetik tek kutuplu alan. Nat. Phys., 10 (1): 26–29, Aralık 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 ve D. Gerthsen. Transmisyon elektron mikroskobu için oksit içermeyen $text{aC}/​text{Zr_{0.65}text{Al_{0.075}text{Cu_{0.275}/​text{aC}$ faz plakaları. Ultramikroskopi, 189: 39–45, Haziran 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 ve J. Verbeeck. Paraksiyel olarak dağılmış elektron girdap ışınlarının topolojik analizi. Fizik. Rev. A, 87: 033834, Mart 2013. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Herkes tarafından hataya dayanıklı hesaplama. 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. Dolaşma destekli elektron mikroskobunda ölçüm hataları. Fiziksel İnceleme A – Atomik, Moleküler ve Optik Fizik, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneider ve S. Löffler. Elektron mikroskobunda dolaşıklık ve eşevresizlik. Ultramikroskopi, 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 ve R. Feder. Elektron-elektron saçılımında dolaşıklık ve entropi. J. Elektron Spectrosc. İlgili. 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 ve C. Ropers. Bir transmisyon elektron mikroskobu ışınındaki Coulomb ile ilişkili elektron sayısı durumları. Doğa Fiziği, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl ve P. Hommelhoff. Nanometrik iğne uçlarından ultra hızlı foto emisyondan sonra az sayıda elektron korelasyonu. Doğa Fiziği, 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 ve P. Haslinger. Zamansal foton korelasyonları kullanılarak tutarlı ve tutarsız katodolüminesansın ayrımı. Ultramikroskopi, 241: 113594, kasım 2022. 10.1016/​j.ultramic.2022.113594.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

[52] A. Konečná, F. Iyikanat ve FJ García de Abajo. Serbest elektronların dolaşıklığı ve optik uyarılmalar. Bilim. Adv., 8 (47): eabo7853, kasım 2022. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack ve T. Schachinger. Amorf malzemeler aracılığıyla hızlı elektron girdaplarının elastik yayılımı. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Alıntılama

Zaman Damgası:

Den fazla Kuantum Günlüğü