康斯坦茨大学
布洛赫球上量子比特的表示
学分:康斯坦茨大学 量子物理定律不仅非凡——它们还为先进的信息处理、量子计算和密码学提供了一些深远而独特的可能性
迄今为止，这种量子操作的基本构件是超导谐振器形式的电路、光子形式的光或离子链形式的原子
然而，所有这些量子系统都有其缺点，因此科学家们正在不断寻找有用的替代品
在他们最近发表在《物理评论研究》上的文章中，康斯坦茨大学物理系的科学家发现了一种方法，可以将真空中的自由电子调制成所谓的量子比特，一种二能级量子比特
这样的量子比特是量子计算机中信息处理的组成部分
为了产生自由电子量子位，研究人员使用透射电子显微镜的电子束，并将其与经典激光的电场相交
研究小组负责人彼得·鲍姆教授解释说:“由此产生的物质波干扰将电子能量周期性地调制成离散的、定义明确的能级，我们将其用作形成量子比特的资源。”
物理背景 为了从自由电子中产生量子位，研究人员使用透射电子显微镜的电子束作为电子源，并将其与经典激光的电场相交
在光波的振荡中，束电子以非常快的速度周期性地加速和减速
该研究小组的负责人彼得·鲍姆教授解释说:“电子束和激光的光学循环之间的这种快速相互作用导致了电子能量在离散的、定义明确的能级之间的周期性调制。”
“我们使用这种可以用仪器探测到的量子化，作为形成量子比特的资源
" 阿秒电子显微镜 有趣的是，实验中电子和激光束的交叉不仅导致能量域中描述的现象，这些现象与量子比特的产生有关
通过正确选择激光参数，在时域中出现了额外的有用现象:电子束转换成持续时间在阿秒范围内的极短电子脉冲序列
彼得·鲍姆说:“这相当于十亿分之一秒的百万分之一，在这样的时间跨度内，即使是光也只能覆盖更大分子的大小。”
这种极短的电子脉冲对于复杂的光-物质相互作用的超快电子显微术是有用的，在这种情况下，除了原子级的巨大空间分辨率之外，它们还能实现最大的时间分辨率
“大规模生产”中的量子比特 实验中量子比特和阿秒电子脉冲的另一个实际特征是它们的高生产率:每秒钟产生大约10亿个量子比特或电子脉冲
这种高通量是通过使用连续的非脉冲电子源和连续的非脉冲激光束来实现的
这样，电子束中几乎每一个自由电子都被调制，量子比特的产生只受到现代高能电子源性能极限的限制
然而，这并不是激光形自由电子和量子比特成为进一步研究的有趣而实用的对象的唯一原因
“在自由空间的真空中，电子作为基本粒子不与任何物质相互作用
因此，所谓的退相干——信息向环境的丢失——相当缓慢，”彼得·鲍姆补充道
“此外，电子束的激光光学控制功能多样，可以快速切换
“因此，在激光控制下的自由电子量子比特在未来的量子信息基础研究和应用中都将发挥重要作用
量子比特的物理细节 当仔细观察时，实验中使用的电子束中的自由电子不是点粒子，而是具有有限相干长度的波函数，它覆盖了所用激光束的多次光振荡
如果是这样，相同的最终能量由相邻的光场周期在多个时间实例中相干产生
因此，物质波干涉产生了能量谱到离散能量边带的周期性调制，研究人员将其用作二能级量子系统的资源
量子操作是通过简单的自由空间传播来实现的，由于电子的剩余质量，不同的边带获得非线性物质波相位，随后是第二次激光相互作用和光束几厘米后的边带产生
这样，研究人员几乎可以到达布洛赫球面上的任何一点
e
量子位状态在几何上表示为单位球面上的点的“坐标系”
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
