Квантова логіка для вільних електронів

Квантова логіка для вільних електронів

Мітка часу: 11 липня 2023 р., 4:49
Вихідний вузол: 2768981

Штефан Льоффлер1, Томас Шахінгер1,2, Пітер Гартел3, Пен-Хан Лу4,5, Рафал Е. Дунін-Борковський4, Мартін Обермайр6, Мануель Дріс6, Дагмар Гертсен6та Пітер Шаттшнайдер1,2

1Університетський сервісний центр трансмісійної електронної мікроскопії, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Австрія
2Інститут фізики твердого тіла, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Австрія
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Німеччина
4Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons (ER-C) та Peter Grünberg Institute, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Germany
5RWTH Aachen University, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Німеччина
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Germany

Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.

абстрактний

Топологічний заряд $m$ вихрових електронів охоплює нескінченновимірний гільбертов простір. Вибираючи двовимірний підпростір, охоплений $m=pm 1$, електрон пучка в трансмісійному електронному мікроскопі (ТЕМ) можна розглядати як квантовий біт (кубіт), що вільно поширюється в стовпці. Комбінація електронно-оптичних квадрупольних лінз може служити універсальним пристроєм для маніпулювання такими кубітами на розсуд експериментатора. Ми встановили зонд TEM, що формує систему лінз як квантовий затвор, і продемонстрували його дію чисельно та експериментально. Високоякісні ТЕМ з коректорами аберацій є перспективною платформою для таких експериментів, відкриваючи шлях до вивчення квантових логічних елементів в електронному мікроскопі.

Основне зображення: Ліворуч: схема електронно-оптичної установки. Посередині: хвильова функція падіння. Праворуч: трансформована вихідна хвильова функція та експериментальний розподіл інтенсивності.

Популярне резюме

Цей експеримент із підтвердженням принципу показує, що вільні електрони в трансмісійному електронному мікроскопі (ТЕМ) можна використовувати як кубіти, будівельні блоки для квантових комп’ютерів. Ми демонструємо квантову логіку, яка може перетворювати ці кубіти з одного стану в інший. Завдяки просторовій роздільній здатності аж до атомних розмірів ТЕМ ідеально підходить для вивчення основ квантової маніпуляції. Окрім можливих застосувань у квантових обчисленнях, це дослідження також прокладає шлях до значного покращення ефективності ТЕМ шляхом перетворення електронного променя в оптимальний квантовий стан для даного експерименту.

► Дані BibTeX

► Список літератури

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran і V. Grillo. Формування електронного променя в просвічуючому електронному мікроскопі: Контроль поширення електронного променя вздовж атомних стовпів. фіз. Rev. Appl., 11 (4): 044072, квітень 2019 р. 10.1103/​physrevapplied.11.044072.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevapplied.11.044072

[2] Дж. Хаммер, С. Томас, П. Вебер, П. Хоммельгоф. Розділювач променя на основі мікрохвильового чіпа для направлених електронів низької енергії. фіз. Rev. Lett., 114 (25): 254801, 2015. 10.1103/​PhysRevLett.114.254801.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.254801

[3] Т. Шахінгер, С. Леффлер, А. Штайгер-Тірсфельд, М. Штегер-Поллах, С. Шнайдер, Д. Поль, Б. Реллінгхаус і П. Шаттшнайдер. EMCD з електронно-вихровим фільтром: обмеження та можливості. 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 і G. Van Tendeloo. Як маніпулювати наночастинками за допомогою електронного променя? Adv. матер., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https://​/​doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] С. Франке-Арнольд, Л. Аллен і М. Педжетт. Досягнення оптичного кутового моменту. Laser Photonics Rev., 2 (4): 299–313, 2008. 10.1002/​lpor.200810007.
https://​/​doi.org/​10.1002/​lpor.200810007

[6] А. Бабазаде, М. Ерхард, Ф. Ван, М. Малік, Р. Нуроозі, М. Кренн та А. Цайлінгер. Високовимірні однофотонні квантові вентилі: концепції та експерименти. фіз. Rev. Lett., 119: 180510, листопад 2017 р. 10.1103/​PhysRevLett.119.180510.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[7] Р. Юхтманс, А. Беше, А. Абакумов, М. Батук, Й. Вербек. Використання електронно-вихрових пучків для визначення хіральності кристалів у трансмісійній електронній мікроскопії. фіз. B, 91: 094112, березень 2015 р. 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 та F. Carbone. Атосекундне когерентне керування хвильовими функціями вільних електронів за допомогою напівнескінченних світлових полів. Нац. Комун., 9 (1): 2694, 2018. 10.1038/​s41467-018-05021-x.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-05021-x

[9] А. Файст, К. Е. Ехтернкамп, Й. Шаусс, С. В. Ялунін, С. Шефер і К. Роперс. Квантова когерентна оптична фазова модуляція в надшвидкому трансмісійному електронному мікроскопі. Nature, 521 (7551): 200–203, 2015. 10.1038/​nature14463.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14463

[10] К. Кеалхофер, В. Шнайдер, Д. Ебергер, А. Рябов, Ф. Краус, П. Баум. Загальнооптичний контроль і метрологія електронних імпульсів. Наука, 352 (6284): 429–433, 2016. 10.1126/​science.aae0003.
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.aae0003

[11] Н. Шененбергер, А. Міттельбах, П. Юсефі, Дж. Макнейр, У. Нідермаєр, П. Хоммельгоф. Генерація та характеристика аттосекундних мікрозгрупованих електронних імпульсів за допомогою діелектричного лазерного прискорення. фіз. Rev. Lett., 123 (26): 264803, 2019. 10.1103/​PhysRevLett.123.264803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.264803

[12] К. Й. Бліох, Ю. П. Бліох, С. Савельєв, Ф. Норі. Напівкласична динаміка станів електронного хвильового пакета з фазовими вихорами. фіз. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] К. Й. Бліох, М. Р. Денніс і Ф. Норі. Релятивістські електронні вихрові пучки: кутовий момент і спін-орбітальна взаємодія. фіз. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.174802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

[14] Дж. Вербек, Х. Тянь і П. Шаттшнайдер. Виробництво та застосування електронно-вихрових пучків. Nature, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/​nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] М. Учіда та А. Тономура. Генерація електронних пучків з орбітальним кутовим моментом. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/​nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[16] К. Й. Бліох, П. Шаттшнайдер, Дж. Вербек і Ф. Норі. Електронні вихрові пучки в магнітному полі: новий поворот на рівнях Ландау та станах Ааронова-Бома. фіз. 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 і F. Nori. Зображення динаміки станів Ландау з вільними електронами. Нац. Commun., 5: 4586, серпень 2014 р. 10.1038/​ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] Г. Гуццінаті, П. Шаттшнайдер, К. Й. Бліох, Ф. Норі та Дж. Вербек. Спостереження обертань Лармора та Гуі за допомогою електронних вихрових пучків. фіз. Rev. Lett., 110: 093601, лютий 2013 р. 10.1103/​PhysRevLett.110.093601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.093601

[19] Т. Шахінгер, С. Леффлер, М. Штегер-Поллах і П. Шаттшнайдер. Своєрідне обертання електронних вихрових пучків. Ultramicroscopy, 158: 17–25, листопад 2015 р. ISSN 0304-3991. 10.1016/​j.ultramic.2015.06.004.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2015.06.004

[20] К. Й. Бліох, І. П. Іванов, Г. Гуццінаті, Л. Кларк, Р. Ван Боксем, А. Беше, Р. Юхтманс, М. А. Алонсо, П. Шаттшнайдер, Ф. Норі, Дж. Вербек. Теорія та застосування вихрових станів вільних електронів. фіз. 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 та UL Andersen. Детермінована генерація двовимірного стану кластера. Наука, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.aay4354

[22] К. Р. Браун, Дж. К'яверіні, Дж. М. Сейдж і Х. Хеффнер. Виклики матеріалів для квантових комп’ютерів із захопленими іонами. Нац. 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 і WD Oliver. Надпровідні кубіти: сучасний стан. Annu. Преподобний Конден. мама П., 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 і TH Taminiau. Десятикубітовий твердотільний спіновий регістр із квантовою пам’яттю до однієї хвилини. фіз. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] І. Булута, С. Ашхаб, Ф. Норі. Природні та штучні атоми для квантових обчислень. Rep. Prog. Phys., 74 (10): 104401, вересень 2011. 10.1088/​0034-4885/​74/​10/​104401.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​74/​10/​104401

[26] А. Чаттерджі, П. Стівенсона, С. Де Франческі, А. Морелло, Н. П. де Леона та Ф. Куеммета. Напівпровідникові кубіти на практиці. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Цитується за:91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] О. Рейнхардт, К. Мечел, М. Лінч, І. Камінер. Вільні електронні кубіти. Енн Phys., 533 (2): 2000254, 2021. 10.1002/​andp.202000254.
https://​/​doi.org/​10.1002/​andp.202000254

[28] Р. Руймі, А. Горлах, К. Мечел, Н. Рівера, І. Камінер. До квантових вимірювань з атомною роздільною здатністю з вільними електронами когерентної форми. фіз. Rev. Lett., 126 (23): 233403, червень 2021 р. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.126.233403

[29] М. В. Царьов, А. Рябов, П. Баум. Кубіти з вільними електронами та аттосекундні імпульси максимального контрасту через тимчасове відродження Тальбота. фіз. Rev. Research, 3 (4): 043033, жовтень 2021 р. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

[30] С. Льоффлер. Унітарні двостанові квантові оператори, реалізовані квадрупольними полями в електронному мікроскопі. 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 і J. Verbeeck. Новий вихровий генератор і перетворювач мод для електронних пучків. фіз. Rev. Lett., 109 (8): 084801, 2012. 10.1103/​PhysRevLett.109.084801.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.084801

[32] Т. Шахінгер, П. Хартель, П. Лу, С. Леффлер, М. Обермайр, М. Дріс, Д. Гертсен, Р. Е. Дунін-Борковський і П. Шаттшнайдер. Експериментальна реалізація перетворювача вихрових мод $pi/​2$ для електронів з використанням коректора сферичних аберацій. Ультрамікроскопія, 229: 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] Д. Карловця. Релятивістські вихрові електрони: параксіальні проти непараксіальних режимів. фіз. Rev. A, 98: 012137, липень 2018 р. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

[34] Л. Кларк, А. Беше, Г. Гуццінаті, Дж. Вербек. Кількісне вимірювання орбітального кутового моменту в електронній мікроскопії. 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. Гуццінаті, Л. Кларк, А. Беше, Дж. Вербек. Вимірювання орбітального моменту імпульсу електронних пучків. 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. Харві та М. П. Дж. Лавері. Ефективне сортування орбітального моменту вільного електрона. New J. Phys., 19 (2): 023053, 2017. 10.1088/​1367-2630/​aa5f6f.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aa5f6f

[37] В. Грілло, А. Х. Тавабі, Ф. Вентурі, Х. Ларок, Р. Бальбоні, Г. К. Газзаді, С. Фраббоні, П. . Лу, Е. Мафакері, Ф. Бушар, Р. Е. Дунін-Борковскі, Р. В. Бойд, MPJ Lavery, MJ Padgett та E. Karimi. Вимірювання спектра орбітального кутового моменту електронного пучка. Нац. Commun., 8: 15536, 2017. 10.1038/​ncomms15536.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms15536

[38] Г. Поцці, В. Грілло, П. Лу, А. Х. Тавабі, Е. Карімі та Р. Є. Дунін-Борковський. Розробка електростатичних фазових елементів для сортування орбітального моменту імпульсу електронів. 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, Р. Е. Дунін-Борковський, В. Грілло. Експериментальна демонстрація електростатичного орбітального сортувальника кутового моменту для електронних пучків. фіз. Rev. Lett., 126 (9): 094802, березень 2021 р. 10.1103/​physrevlett.126.094802.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen та MJ Padgett. Ефективне сортування станів орбітального кутового моменту світла. фіз. 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 і P. Schattschneider. Перетворювачі π/​2 моди та вихрові генератори для електронів. Ultramicroscopy, 204: 27–33, вересень 2019 р. 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, Дж. Вербек. Магнітне монопольне поле, відкрите електронами. Нац. Phys., 10 (1): 26–29, грудень 2013. ISSN 1745-2481. 10.1038/​nphys2816.
https://​/​doi.org/​10.1038/​nphys2816

[43] М. Дріс, М. Обермайр, С. Геттлер, П. Герман, К. Зеєманн, Ф. Зайфрід, С. Ульріх, Р. Фішер, Д. Гертсен. Безоксидні $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ фазові пластини для трансмісійної електронної мікроскопії. Ultramicroscopy, 189: 39–45, червень 2018. 10.1016/​j.ultramic.2018.03.003.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2018.03.003

[44] А. Лубк, Л. Кларк, Г. Гуццінаті, Дж. Вербек. Топологічний аналіз параксіально розсіяних електронних вихрових пучків. фіз. Rev. A, 87: 033834, березень 2013 р. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] А. Ю. Китаєв. Відмовостійке обчислення від anyons. Енн 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. Помилки вимірювань в електронній мікроскопії з використанням заплутування. 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 і С. Леффлер. Заплутаність і декогеренція в електронній мікроскопії. Ультрамікроскопія, 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 і R. Feder. Заплутаність і ентропія при електрон-електронному розсіянні. 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] Р. Гайндль, А. Фейст, Т. Домрозе, М. Мьоллер, Й. Г. Гайда, С. В. Ялунін, Ч. Роперс. Кулонівсько-корельовані електронні стани в пучку просвічуючого електронного мікроскопа. Фізика природи, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] С. Майєр, Й. Хаймерль, П. Хоммельгоф. Малоелектронні кореляції після надшвидкої фотоемісії від нанометричних кінчиків голок. Фізика природи, 2023. 10.1038/​s41567-023-02059-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02059-7

[51] М. Шойхер, Т. Шахінгер, Т. Шпілауер, М. Штегер-Поллах, П. Хаслінгер. Розрізнення когерентної та некогерентної катодолюмінесценції за допомогою часових кореляцій фотонів. Ultramicroscopy, 241: 113594, листопад 2022. 10.1016/​j.ultramic.2022.113594.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

[52] А. Конечна, Ф. Іїканат і Ф. Дж. Гарсіа де Абахо. Переплутування вільних електронів і оптичні збудження. Sci. Adv., 8 (47): eabo7853, листопад 2022 р. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] С. Леффлер, С. Сак і Т. Шахінгер. Пружне поширення вихорів швидких електронів через аморфні матеріали. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Цитується

Ця стаття опублікована в Quantum під Creative Commons Attribution 4.0 International (CC на 4.0) ліцензія. Авторське право залишається за оригінальними власниками авторських прав, такими як автори або їх установи.

Часова мітка:

Більше від Квантовий журнал