Qubits aus dem Elektronenstrahl

Konstanzer Physiker modulieren freie Elektronen per Laserlicht zu Qubits – binäre Quantensysteme mit potentiellen Einsatzmöglichkeiten in der Quanteninformatik.

Die Gesetze der Quantenphysik sind nicht nur außergewöhnlich – sie bieten auch weitreichende und einzigartige Möglichkeiten für die Informationsverarbeitung und die Kryptographie. Zu den bisherigen Grundbausteinen von Quanten-Maschinen zählen elektrische Schaltkreise in Form von supraleitenden Resonatoren, Licht in Form von Photonen oder Atome in Form von Ionenketten. Alle diese Quanten-Systeme haben jedoch auch ihre Nachteile, und die Wissenschaft sucht daher fortlaufend nach sinnvollen Alternativen.

In ihrer jüngsten Veröffentlichung in Physical Review Research haben Physiker der Universität Konstanz einen Weg gefunden, ein freies Elektron im Vakuum in ein sogenanntes Zwei-Niveau-Quantenbit (Kurzform: Qubit) zu modulieren. Derartige Qubits sind die Grundbausteine der Informationsverarbeitung in Quantencomputern. Zur Erzeugung ihrer Qubits aus freien Elektronen verwenden die Forscher den Elektronenstrahl eines Transmissionselektronenmikroskops und kreuzen ihn mit dem elektrischen Feld von klassischem Laserlicht. „Die daraus resultierenden Materie-Wellen-Interferenzen führen zu einer regelmäßigen Modulation der Energie der Elektronen in einzelne, genau definierte Energieniveaus, welche wir als Ressource für die Qubit-Erzeugung nutzen“, erklärt Prof. Dr. Peter Baum, Leiter des Forschungsteams.

Wie genau das funktioniert und welchen zusätzlichen Nutzen die Ergebnisse des Experiments für die hochauflösende Elektronenmikroskopie haben, erfahren Sie im Online-Magazin campus.kn:
https://www.campus.uni-konstanz.de/wissenschaft/qubits-aus-dem-elektronenstrahl

Faktenübersicht:
• Originalpublikation: Maxim V. Tsarev, Andrey Ryabov, Peter Baum (2021): Free-electron qubits and maximum-contrast attosecond pulses via temporal Talbot revivals. Physical Review Research. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.043033
• Forscher der Universität Konstanz nutzen Laserlicht, um das freie Elektron als Elementarteilchen in ein System mit Qubit-Eigenschaften zu modulieren.
• Außerdem werden Attosekunden-Elektronenpulse für die elektronenmikroskopische Untersuchung ultraschneller Licht-Materie-Wechselwirkungen erzeugt.
• Die Verwendung von kontinuierlichem Laserlicht und einem kontinuierlichen Elektronenstrahl erlaubt eine bisher unerreichte Erzeugungsrate der Qubits und Attosekunden-Elektronenpulse.
• Förderung: European Research Council (ERC), Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Dr. K. H. Eberle Stiftung und Vector Stiftung

Hinweis an die Redaktionen:
Ein Foto kann im Folgenden heruntergeladen werden:
https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2021/qubits_aus_dem.jpeg
Bildunterschrift: Lasermodulation des Elektronenstrahls eines Transmissionselektronenmikroskops in Qubits und Attosekunden-Elektronenpulse.
Bildnachweis: Maxim Tsarev

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Originalpublikation:

https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.3.043033

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