מרחב הילברט הסינתטי של אלקטרונים חופשיים מונעי לייזר

מרחב הילברט הסינתטי של אלקטרונים חופשיים מונעי לייזר

גיא בריימן, אורי ריינהרדט, חן מכל, עומר לוי ועידו קמינר

המחלקה להנדסת חשמל ומחשבים ומכון מוצק, הטכניון – המכון הטכנולוגי, 32000 חיפה, ישראל

מצא את העיתון הזה מעניין או רוצה לדון? סקייט או השאירו תגובה ב- SciRate.

תַקצִיר

ההתקדמות האחרונה באינטראקציות לייזר עם אלקטרונים חופשיים קוהרנטיים אפשרה לעצב את המצב הקוונטי של האלקטרון. כל אלקטרון הופך לסופרפוזיציה של רמות אנרגיה על סולם כמותי אינסופי, המוצג כמכיל עד אלפי רמות אנרגיה. אנו מציעים לנצל את הטבע הקוונטי של אלקטרונים חופשיים המונעים על ידי לייזר כ"מרחב הילברט סינתטי" בו אנו בונים ושולטים בקוודיטים (ספרות קוונטיות). השאלה שמניעה את העבודה שלנו היא לאילו מצבי qudit ניתן לגשת באמצעות אינטראקציות אלקטרונים-לייזר, והאם ניתן ליישם שער קוונטי שרירותי כלשהו. אנו מוצאים כיצד לקודד ולתפעל מצבי qudit של אלקטרונים חופשיים, תוך התמקדות בממדים שהם בחזקות 2, כאשר ה-qudit מייצג קיוביטים מרובים המיושמים על אותו אלקטרון בודד - מופרדים אלגברית, אך מחוברים פיזית. כדוגמה, אנו מוכיחים את האפשרות לשלוט באופן מלא ב-Qudit 4-מימדי, וחושפים את השלבים הנדרשים לשליטה מלאה בכל מימד שרירותי. העבודה שלנו מעשירה את מגוון היישומים של אלקטרונים חופשיים במיקרוסקופיה ובספקטרוסקופיה, ומציעה פלטפורמה חדשה למידע קוונטי רציף-משתני.

פלטפורמות שונות לעיבוד מידע קוונטי נחקרות בימינו. בעבודה זו אנו מציעים פלטפורמה חדשה למידע קוונטי רציף - אלקטרונים חופשיים. אנו מציעים לנצל את רמות האנרגיה בסולם הקוונטי של אלקטרון חופשי מונע על ידי לייזר כ"מרחב הילברט סינתטי" בו נוכל לבנות ולשלוט בקווידטים (ספרות קוונטיות).

► נתוני BibTeX

► הפניות

[1] Nielsen, MA וצ'ואנג, I., חישוב קוונטי ומידע קוונטי (2002).
https: / / doi.org/ 10.1119 / 1.1463744

[2] Cirac, JI and Zoller, P., Physical Review Letters, 74 4091 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.74.4091

[3] Loss, D. and DiVincenzo, DP, Physical Review A, 57 120 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.57.120

[4] Knill, E., Laflamme, R. and Milburn, GJ, Nature, 409 46 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1038 / 35051009

[5] Devoret, MH and Schoelkopf, RJ, Science, 339 1169 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1231930

[6] Takui, T., Berliner, L. and Hanson, G., Electron spin resonance (ESR) מבוסס מחשוב קוונטי, Springer New York (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4939-3658-8

[7] PW Shor, Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Science, Santa Fe NM USA, 124-134 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[8] Saffman, M., Walker, TG and Mølmer, K., ביקורות על פיזיקה מודרנית, 82 2313 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.82.2313

[9] Reinhardt, O., Mechel, C., Lynch, MH and Kaminer, I., Annalen der Physik, 533 2000254 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1002 / andp.202000254

[10] Tsarev, MV, Ryabov, A. and Baum, P., Physical Review Research, 3 043033 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.043033

[11] Wernsdorfer, W. and Ruben, M. Advanced Materials, 31 1806687 (2019).
https://doi.org/​10.1002/​adma.201806687

[12] Sawant, R., Blackmore, JA, Gregory, PD, Mur-Petit, J., Jaksch, D., Aldegunde, J., … ו-Cornish, SL, New Journal of Physics, 22 013027 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab60f4

[13] Lu, HH, Hu, Z., Alshaykh, MS, Moore, AJ, Wang, Y., Imany, P., … and Kais, S., Advanced Quantum Technologies, 3 1900074 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qute.201900074

[14] J. Brendel, N. Gisin, W. Tittel and H. Zbinden., Physical Review Letters, 82 2594 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.82.2594

[15] I. Marcikic, H. De Riedmatten, W. Tittel, H. Zbinden, M. Legré and N. Gisin, Physical Review Letters, 93 180502 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.93.180502

[16] Babazadeh, A., Erhard, M., Wang, F., Malik, M., Nouroozi, R., Krenn, M. and Zeilinger, A., Physical Review Letters, 119 180510 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[17] Kok, P., Munro, WJ, Nemoto, K., Ralph, TC, Dowling, JP and Milburn, GJ, Reviews of Modern Physics, 79 135 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.79.135

[18] O'brien, JL, Science, 318 1567 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1142892

[19] O'brien, JL, Furusawa, A. and Vučković, J., Nature Photonics, 3 687 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2009.229

[20] Asspuru-Guzik, A. and Walther, P., Nature physics, 8 285 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2253

[21] Lloyd, S. and Braunstein, SL, Information Quantum with Continuous Variables, Springer Dordrecht (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-94-015-1258-9_2

[22] Gottesman, D., Kitaev, A. and Preskill, J., Phys. Rev. A, 64 12310 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.012310

[23] Walschaers, M., PRX Quantum, 2 30204 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030204

[24] Arrazola, JM et al., Nature, 591 54 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-03202-1

[25] Ruimy, R., Gorlach, A., Mechel, C., Rivera, N. and Kaminer, I., Physical Review Letters, 126 233403 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.233403

[26] Zhao, Z., Sun, XQ ו-Fan, S., Phys. Rev. Lett., 126 233402 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.233402

[27] Mechel, C., Kurman, Y., Karnieli, A., Rivera, N., Arie, A. and Kaminer, I., Optica, 8 70 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.402693

[28] Kruit, P., Krielaart, M., van Staaden, Y. and Loginov, S., יצירת ניגודיות במיקרוסקופ אלקטרוני באמצעות אפקט זינו הקוונטי, EBSN (2019).

[29] Zewail, AH, Science ,328 187 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1166135

[30] Barwick, B., Flannigan, DJ ו-Zewail, AH, Nature, 462 902 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08662

[31] Echternkamp, ​​KE, Feist, A., Schäfer, S. and Ropers, C., Nature Physics, 12 1000 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys3844

[32] Morimoto, Y. and Baum, P., Nature Physics, 14 252 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-017-0007-6

[33] Priebe, KE, Rathje, C., Yalunin, SV, Hohage, T., Feist, A., Schäfer, S. and Ropers, C., Nature Photonics, 11 793 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41566-017-0045-8

[34] Kozák, M., Schönenberger, N. and Hommelhoff, P., Physical review letters, 120 103203 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.103203

[35] Feist, A., Echternkamp, ​​KE, Schauss, J., Yalunin, SV, Schäfer, S. and Ropers, C., Nature, 521 200 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14463

[36] Reinhardt, O. and Kaminer, I., ACS Photonics, 7 2859 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1021/​acsphotonics.0c01133

[37] Vanacore, GM, et al., Nature communications, 9 2694 (2018).
https: / doi.org/â € ‹10.1038 / s41467-018-05021-x

[38] García de Abajo, FJ, Asenjo-Garcia, A. and Kociak, M., Nano letters, 10 1859 (2010).
https://​doi.org/​10.1021/​nl100613s

[39] Park, ST, Lin, M., and Zewail, AH, New Journal of Physics, 12 123028 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​12/​123028

[40] García de Abajo FJ, Barwick, B. and Carbone, F., Physical Review B, 94 041404 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.94.041404

[41] Wang, K., Dahan, R., Shentcis, M., Kauffmann, Y., Hayun, AB, Reinhardt, O., … and Kaminer, I., Nature, 582 50 (2020)‏.
https: / doi.org/â € ‹10.1038 / s41586-020-2321-x

[42] כפיר, או' ואח', טבע, 582 46 (2020).
https: / doi.org/â € ‹10.1038 / s41586-020-2320-y

[43] Jones, JA and Mosca, M., The Journal of Chemical Physics, 109 1648 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.476739

[44] Vatan, Farrokh and Colin Williams., Physical Review A, 69 032315 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.69.032315

[45] Feist, A., et al., Ultramicroscopy, 176 63 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2016.12.005

[46] Losquin, A. and Lummen, TT, Frontiers of Physics, 12 127301 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11467-016-0605-2

[47] Yalunin, SV, Feist, A. and Ropers, C., Physical Review Research, 3 032036 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.L032036

[48] Dahan, R., et al., Nature Physics, 16 1123 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-020-01042-w

[49] Piazza, L. Lummen, T., Quinonez, E., Murooka, Y., Reed, BW, Barwick, B. and Carbone, F., Nature communications, 6 6407 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms7407

[50] Kruit, P., et al., Ultramicroscopy, 164 31 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2016.03.004

[51] Juffmann, T., Koppell, SA, Klopfer, BB, Ophus, C., Glaeser, RM and Kasevich, MA, Scientific reports, 7 1699 (2017).
https: / doi.org/â € ‹10.1038 / s41598-017-01841-x

[52] Okamoto, H., Latychevskaia, T. and Fink, HW, Applied physics letters, 88 164103 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.2191096

[53] כפיר, או., מכתבי סקירה פיזית, 123 103602 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.103602

[54] Imany, P., Jaramillo-Villegas, JA, Alshaykh, MS, Lukens, JM, Odele, OD, Moore, AJ, … and Weiner, AM, npj Quantum Information, 5 1 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0173-8

[55] Lu, HH, Weiner, AM, Lougovski, P. and Lukens, JM, IEEE Photonics Technology Letters, 31 1858 (2019).
https://doi.org/​10.1109/​LPT.2019.2942136

[56] Kues, M., Reimer, C., Roztocki, P., Cortés, LR, Sciara, S., Wetzel, B., … and Moss, DJ, Nature, 546 622 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature22986

[57] Low, PJ, White, BM, Cox, AA, Day, ML and Senko, C., Physical Review Research, 2 033128 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033128

[58] Bremner, MJ, Bacon, D. and Nielsen, MA, Physical Review A, 71 052312 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.052312

[59] Rungta, P., Munro, WJ, Nemoto, K., Deuar, P., Milburn, GJ and Caves, CM, Directions in Quantum Optics, Springer Berlin Heidelberg, 149-164 (2001).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​3-540-40894-0_14

[60] Pirandola, S., Mancini, S., Braunstein, SL and Vitali, D., Physical Review A, 77 032309 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.032309

[61] Marques, B., Matoso, AA, Pimenta, WM, Gutiérrez-Esparza, AJ, Santos, MF ו-Pádua, S., Scientific Reports, 5 16049 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep16049

[62] Gedik, Z., Silva, IA, Çakmak, B., Karpat, G., Vidoto, ELG, Soares-Pinto, DDO, … and Fanchini, FF, Scientific Reports, 5 14671 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep14671

[63] Kiktenko, EO, Fedorov, AK, Strakhov, AA and Man'Ko, VI, Physics Letters A, 379 1409 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physleta.2015.03.023

[64] Bliokh, KY, Bliokh, YP, Savel'Ev, S. and Nori, F., Physical Review Letters, 99 190404 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[65] Cai, W., Reinhardt, O., Kaminer, I. and de Abajo, FJG, Physical Review B, 98 045424 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.98.045424

[66] Vanacore, GM, et al., Nature materials, 18 573 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41563-019-0336-1

[67] Verbeeck, J., Tian, ​​H. and Schattschneider, P., Nature, 467 301 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[68] Uchida, M. and Tonomura, A., Nature, 464 737 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[69] McMorran, BJ, Agrawal, A., Anderson, IM, Herzing, AA, Lezec, HJ, McClelland, JJ and Unguris, J., Science, 331 192 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1198804

[70] Laroque, H., Kaminer, I., Grillo, V., Leuchs, G., Padgett, MJ, Boyd, RW, Segev M. and Karimi, E., Contemporary Physics, 59 126 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2017.1418046

[71] Wang, J., Yang, J., Fazal, IM, Ahmed, N., Yan, Y., Huang, H., Ren, Y., Yue, Y., Dolinar, S., Tur, M. and Willner. , AE, Nature photonics, 6 488 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2012.138

[72] Allen, L., Beijersbergen, MW, Spreeuw, RJC and Woerdman, JP, Physical Review A, 45 8185 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.45.8185

[73] Gibson, G., Courtial, J., Padgett, MJ, Vasnetsov, M., Pas'ko, V., Barnett, SM and Franke-Arnold, S., Optics express, 12 5448 (2004).
https://doi.org/​10.1364/​OPEX.12.005448

[74] Perumangatt, C., Lal, N., Anwar, A., Reddy, SG and Singh, RP, Physics Letters A, 22 1858 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physleta.2017.04.002

מצוטט על ידי

בול זמן:

עוד מ יומן קוונטים