Một cổng logic lượng tử cho các electron tự do

Một cổng logic lượng tử cho các electron tự do

Dấu thời gian: 11:2023 sáng ngày 4 tháng 49 năm XNUMX
Nút nguồn: 2768981

Stefan Löffler1, Thomas Schachinger1,2, Peter Hartel3, Bành Hàn Lữ4,5, Rafal E. Dunin-Borkowski4, Martin Obermair6, Manuel Dries6, Dagmar Gerthsen6và Peter Schattschneider1,2

1Trung tâm Dịch vụ Kính hiển vi Điện tử Truyền qua Đại học, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, Áo
2Viện Vật lý Chất rắn, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, Austria
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Đức
4Ernst Ruska-Trung tâm Kính hiển vi và Quang phổ với Electron (ER-C) và Viện Peter Grünberg, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, Đức
5Đại học RWTH Aachen, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, Đức
6Phòng thí nghiệm für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Đức

Tìm bài báo này thú vị hay muốn thảo luận? Scite hoặc để lại nhận xét về SciRate.

Tóm tắt

Điện tích topo $m$ của các electron xoáy kéo dài một không gian Hilbert vô hạn chiều. Chọn một không gian con hai chiều được kéo dài bởi $m=pm 1$, chùm electron trong kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) có thể được coi là bit lượng tử (qubit) lan truyền tự do trong cột. Sự kết hợp của các thấu kính quang học tứ cực điện tử có thể đóng vai trò là một thiết bị vạn năng để điều khiển các qubit như vậy theo quyết định của người thí nghiệm. Chúng tôi đã thiết lập một hệ thống thấu kính hình thành đầu dò TEM như một cổng lượng tử và chứng minh hoạt động của nó bằng số và bằng thực nghiệm. Các TEM cao cấp với bộ hiệu chỉnh quang sai là một nền tảng đầy hứa hẹn cho những thí nghiệm như vậy, mở đường cho việc nghiên cứu các cổng logic lượng tử trong kính hiển vi điện tử.

Hình ảnh nổi bật: Trái: Sơ đồ thiết lập quang điện tử. Giữa: Hàm sóng sự cố. Phải: Đã biến đổi hàm sóng đi ra và phân bố cường độ thử nghiệm.

Tóm tắt phổ biến

Thí nghiệm chứng minh nguyên tắc này cho thấy các electron tự do trong kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) có thể được sử dụng làm qubit, khối xây dựng cho máy tính lượng tử. Chúng tôi chứng minh một cổng logic lượng tử có thể biến đổi các qubit này từ trạng thái này sang trạng thái khác. Với độ phân giải không gian xuống kích thước nguyên tử, TEM phù hợp lý tưởng cho việc nghiên cứu các nguyên tắc cơ bản của thao tác lượng tử. Ngoài các ứng dụng có thể có trong điện toán lượng tử, nghiên cứu này cũng mở đường cho việc cải thiện đáng kể hiệu quả của TEM bằng cách chuyển đổi chùm điện tử thành trạng thái lượng tử tối ưu cho một thí nghiệm nhất định.

► Dữ liệu BibTeX

► Tài liệu tham khảo

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran và V. Grillo. Định hình chùm điện tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua: Kiểm soát sự lan truyền của chùm điện tử dọc theo các cột nguyên tử. vật lý. Rev. Appl., 11(4): 044072, tháng 2019 năm 10.1103. 11.044072/​physrevapplied.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / Physrevapplied.11.044072

[2] J. Hammer, S. Thomas, P. Weber và P. Hommelhoff. Bộ tách chùm tia dựa trên chip vi sóng dành cho các electron dẫn hướng năng lượng thấp. vật lý. 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, và P. Schattschneider. EMCD với bộ lọc xoáy điện tử: Hạn chế và khả năng. 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 và G. Van Tendeloo. Làm thế nào để điều khiển các hạt nano bằng chùm tia điện tử? quảng cáo Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https://​/​doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen và M. Padgett. Những tiến bộ trong động lượng góc quang học. 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 và A. Zeilinger. Cổng lượng tử đơn photon chiều cao: Khái niệm và thí nghiệm. vật lý. Rev. Lett., 119: 180510, tháng 2017 năm 10.1103. 119.180510/​PhysRevLett.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[7] R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumov, M. Batuk, và J. Verbeeck. Sử dụng chùm tia điện tử xoáy để xác định độ chirality của tinh thể trong kính hiển vi điện tử truyền qua. vật lý. Rev. B, 91: 094112, tháng 2015 năm 10.1103. 91.094112/​PhysRevB.XNUMX.
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 và F. Carbone. Điều khiển kết hợp Attosecond của các hàm sóng điện tử tự do sử dụng trường ánh sáng bán vô hạn. tự nhiên Cộng đồng, 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 và C. Ropers. Điều chế pha quang kết hợp lượng tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua cực nhanh. Thiên nhiên, 521 (7551): 200–203, 2015. 10.1038/​nature14463.
https: / / doi.org/ 10.1038 / thiên nhiên14463

[10] C. Kealhofer, W. Schneider, D. Ehberger, A. Ryabov, F. Krausz và P. Baum. Điều khiển toàn quang và đo lường các xung điện tử. Khoa học, 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, và P. Hommelhoff. Tạo và mô tả đặc tính của các chuỗi xung điện tử vi chùm atto giây thông qua gia tốc laser điện môi. vật lý. 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 và F. Nori. Động lực học bán cổ điển của các trạng thái gói sóng điện tử với các xoáy pha. vật lý. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, ÔNG Dennis và F. Nori. Các chùm tia điện tử xoáy tương đối tính: Động lượng góc và tương tác quỹ đạo quay. vật lý. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.174802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian và P. Schattschneider. Sản xuất và ứng dụng chùm điện tử xoáy. Thiên nhiên, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/​nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / thiên nhiên09366

[15] M. Uchida và A. Tonomura. Sự phát sinh chùm electron mang momen động lượng quỹ đạo. Nat., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/​nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / thiên nhiên08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck và F. Nori. Các chùm xoáy điện tử trong từ trường: Một bước ngoặt mới về mức độ Landau và trạng thái Aharonov-Bohm. vật lý. 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 và F. Nori. Hình ảnh động lực học của các trạng thái Landau điện tử tự do. tự nhiên Cộng đồng, 5: 4586, tháng 2014 năm 10.1038. 5586/​ncommsXNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori và J. Verbeeck. Quan sát các phép quay Larmor và Gouy bằng các chùm tia xoáy điện tử. vật lý. Rev. Lett., 110: 093601, tháng 2013 năm 10.1103. 110.093601/​PhysRevLett.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach, và P. Schattschneider. Chuyển động quay đặc biệt của chùm tia xoáy điện tử. Ultramicroscopy, 158: 17–25, tháng 2015 năm 0304. ISSN 3991-10.1016. 2015.06.004/​j.ultramic.XNUMX.
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 và J. Verbeeck. Lý thuyết và ứng dụng của các trạng thái xoáy electron tự do. vật lý. 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 và UL Andersen. Tạo xác định trạng thái cụm hai chiều. Khoa học, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage và H. Häffner. Những thách thức về vật liệu cho máy tính lượng tử bẫy ion. tự nhiên 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, TÔI Schwartz, J. Braumüller, P. Krantz, JI . Wang, S. Gustavsson và WD Oliver. Qubit siêu dẫn: Trạng thái hiện tại hàng năm. Mục sư Conden. Mẹ. 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 và TH Taminiau. Thanh ghi spin trạng thái rắn mười qubit với bộ nhớ lượng tử lên đến một phút. vật lý. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab và F. Nori. Các nguyên tử tự nhiên và nhân tạo cho tính toán lượng tử. Đại diện Prog. Phys., 74 (10): 104401, tháng 2011 năm 10.1088. 0034/​4885-74/​10/​104401/​XNUMX.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​74/​10/​104401

[26] A. Chatterjee, P. Stevenson, S. De Franceschi, A. Morello, NP de Leon, và F. Kuemmeth. Qubit bán dẫn trong thực tế. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. Được trích dẫn bởi: 91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch và I. Kaminer. Qubit điện tử tự do. 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 và I. Kaminer. Hướng tới các phép đo lượng tử có độ phân giải nguyên tử với các electron tự do có hình dạng nhất quán. vật lý. Rev. Lett., 126 (23): 233403, tháng 2021 năm 10.1103. 126.233403/​physrevlett.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / Physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov và P. Baum. Các qubit điện tử tự do và các xung atto giây có độ tương phản tối đa thông qua các lần hồi sinh talbot tạm thời. vật lý. Rev. Research, 3 (4): 043033, tháng 2021 năm 10.1103. 3.043033/​physrevresearch.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / Physrevresearch.3.043033

[30] S. Löffler. Các toán tử lượng tử hai trạng thái đơn nhất được nhận ra bởi các trường bốn cực trong kính hiển vi điện tử. 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, và J. Verbeeck. Bộ tạo dòng xoáy mới và bộ chuyển đổi chế độ cho các chùm điện tử. vật lý. 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 và P. Schattschneider. Hiện thực hóa thử nghiệm bộ chuyển đổi chế độ xoáy $pi/​2$ cho các điện tử bằng cách sử dụng bộ hiệu chỉnh quang sai hình cầu. Ultramicroscopy, 229: 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] D. Ca-lô-vốt. Các điện tử xoáy tương đối tính: Chế độ đồng trục so với không đồng trục. vật lý. Rev. A, 98: 012137, tháng 2018 năm 10.1103. 98.012137/​PhysRevA.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati và J. Verbeeck. Đo định lượng momen động lượng quỹ đạo trong kính hiển vi điện tử. Đánh giá vật lý A – Vật lý nguyên tử, phân tử và quang học, 89 (5): 053818, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.053818.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.053818

[35] G. Guzzinati, L. Clark, A. Béché và J. Verbeeck. Đo momen động lượng quỹ đạo của chùm tia điện tử. Đánh giá Vật lý A – Vật lý Nguyên tử, Phân tử và Quang học, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMorran, TR Harvey và MPJ Lavery. Phân loại hiệu quả của động lượng góc quỹ đạo electron tự do. 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, G. C. Gazzadi, S. Frabboni, P. . Lu, E. Mafakheri, F. Bouchard, RE Dunin-Borkowski, RW Boyd, MPJ Lavery, MJ Padgett và E. Karimi. Đo phổ động lượng góc quỹ đạo của chùm tia điện tử. tự nhiên Cộng đồng, 8: 15536, 2017. 10.1038/​ncomms15536.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms15536

[38] G. Pozzi, V. Grillo, P. Lu, AH Tavabi, E. Karimi, và RE Dunin-Borkowski. Thiết kế các phần tử pha tĩnh điện để sắp xếp động lượng góc quỹ đạo của các electron. 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 và V. Grillo. Thí nghiệm trình diễn máy phân loại động lượng góc quỹ đạo tĩnh điện đối với chùm electron. vật lý. Rev. Lett., 126 (9): 094802, tháng 2021 năm 10.1103. 126.094802/​physrevlett.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / Physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen và MJ Padgett. Phân loại hiệu quả các trạng thái động lượng góc quỹ đạo của ánh sáng. vật lý. 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 và P. Schattschneider. bộ biến đổi chế độ π/​2 và bộ tạo xoáy cho điện tử. Ultramicroscopy, 204: 27–33, tháng 2019 năm 10.1016. 2019.05.003/​j.ultramic.XNUMX.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2019.05.003

[42] A. Béché, R. Van Boxem, G. Van Tendeloo, và J. Verbeeck. Trường đơn cực từ do các electron tiếp xúc. tự nhiên Phys., 10(1): 26–29, tháng 2013 năm 1745. ISSN 2481-10.1038. 2816/​nphysXNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2816

[43] M. Dries, M. Obermair, S. Hettler, P. Hermann, K. Seemann, F. Seifried, S. Ulrich, R. Fischer và D. Gerthsen. Các tấm pha $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ không chứa oxit cho kính hiển vi điện tử truyền qua. Ultramicroscopy, 189: 39–45, tháng 2018 năm 10.1016. 2018.03.003/​j.ultramic.XNUMX.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2018.03.003

[44] A. Lubk, L. Clark, G. Guzzinati và J. Verbeeck. Phân tích cấu trúc liên kết của các chùm xoáy điện tử tán xạ đồng trục. vật lý. Rev. A, 87: 033834, tháng 2013 năm 10.1103. 87.033834/​PhysRevA.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. Tính toán chịu lỗi của bất kỳ ai. 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. Lỗi đo lường trong kính hiển vi điện tử hỗ trợ vướng víu. Đánh giá Vật lý A – Vật lý Nguyên tử, Phân tử và Quang học, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.063828

[47] P. Schattschneider và S. Löffler. Sự vướng víu và sự mất kết hợp trong kính hiển vi điện tử. 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 và R. Feder. Sự vướng víu và entropy trong tán xạ electron-electron. J. Quang phổ điện tử. quan hệ. Hiện tượng., 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, và C. Ropers. Trạng thái số điện tử tương quan Coulomb trong chùm kính hiển vi điện tử truyền qua. Vật lý Tự nhiên, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl và P. Hommelhoff. Mối tương quan ít electron sau quá trình quang hóa cực nhanh từ các đầu kim nanomet. Vật lý Tự nhiên, 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, và P. Haslinger. Phân biệt phát quang catốt mạch lạc và không mạch lạc bằng cách sử dụng các tương quan photon tạm thời. Ultramicroscopy, 241: 113594, tháng 2022 năm 10.1016. 2022.113594/​j.ultramic.XNUMX.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

[52] A. Konečná, F. Iyikanat, và FJ García de Abajo. Cuốn theo các điện tử tự do và kích thích quang học. Khoa học. Adv., 8 (47): eabo7853, tháng 2022 năm 10.1126. 7853/​sciadv.aboXNUMX.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack và T. Schachinger. Sự lan truyền đàn hồi của các xoáy điện tử nhanh qua vật liệu vô định hình. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

Trích dẫn

Bài viết này được xuất bản trong Lượng tử dưới Creative Commons Ghi công 4.0 Quốc tế (CC BY 4.0) giấy phép. Bản quyền vẫn thuộc về chủ sở hữu bản quyền gốc như các tác giả hoặc tổ chức của họ.

Dấu thời gian:

Thêm từ Tạp chí lượng tử