論文の概要: Two-electron quantum walks can probe entanglement and decoherence in an electron microscope
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.03707v2
- Date: Tue, 13 May 2025 18:48:07 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-05-15 13:24:43.887496
- Title: Two-electron quantum walks can probe entanglement and decoherence in an electron microscope
- Title（参考訳）: 2電子量子ウォークは、電子顕微鏡における絡み合いと脱コヒーレンスをプローブする
- Authors: Offek Tziperman, David Nabben, Ron Ruimy, Jacob Holder, Ethan Nussinson, Yiqi Fang, Alexey Gorlach, Daniel Kazenwadel, Aviv Karnieli, Ido Kaminer, Peter Baum,
- Abstract要約: 本稿では,量子状態の異なる基底に変形する2電子量子ウォークを導入する。
我々は電子-電子相関において高いコントラスト干渉を観測するが、電子-電子絡みの顕著な兆候はない。
複数の自由電子の量子状態を特徴づける能力は、基礎研究や量子電子顕微鏡で用いられる電子と電子の絡み合いの検証を可能にする可能性がある。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Classical physics is often a good approximation for quantum systems composed of many interacting particles, although wavepacket dispersion and scattering processes continuously induce delocalization and entanglement. According to decoherence theory, an entangled ensemble can appear classical when only a subset of all particles is observed. This emergence of macroscopic phenomena from quantum interactions is, for example, relevant for phase transitions, quantum thermalization, hydrodynamics, spin liquids, or time crystals. However, entanglement and decoherence in free electrons have not yet been explored, although the electron is a fundamental elementary particle with extraordinary technological relevance. Here, we investigate the degree of coherence and entanglement in a free-space electron gas in the beam of an ultrafast electron microscope. We introduce a two-electron quantum walk that transforms the quantum state into different bases for quantum state tomography of entangled or partially entangled electron-electron pairs. We apply this novel diagnostic to study quantum effects in short pulses of hundreds of electrons under strong Coulomb correlation. We observe a high contrast interference in the electron-electron correlations but no significant signs of electron-electron entanglement which we explain by limited purity of the initial states and decoherence effects from unmeasured reservoir electrons. The ability to characterize quantum states of multiple free electrons may allow verification of electron-electron entanglement for use in fundamental studies and quantum electron microscopy.
- Abstract（参考訳）: 古典物理学は、多くの相互作用する粒子からなる量子系にとって良い近似であるが、ウェーブパック分散と散乱過程は非局在化と絡み合いを連続的に引き起こす。
デコヒーレンス理論によれば、すべての粒子のサブセットのみが観察されるとき、絡み合ったアンサンブルは古典的に見える。
量子相互作用によるマクロ現象の出現は、例えば、相転移、量子熱化、流体力学、スピン液体、時間結晶に関係している。
しかし、自由電子の絡み合いや脱コヒーレンスはまだ研究されていないが、電子は特別な技術的関連性を持つ基本的な素粒子である。
本稿では,超高速電子顕微鏡のビームにおける自由空間電子ガスのコヒーレンスと絡み合いの程度について検討する。
本研究では, 量子状態の異なる基底に変形する2電子量子ウォークを導入し, 量子状態トモグラフィによる電子-電子対の量子状態トモグラフィーを提案する。
この新しい診断法を用いて、強いクーロン相関の下で数百個の電子の短パルスにおける量子効果を研究する。
我々は電子-電子相関における高コントラスト干渉を観察するが、初期状態の限られた純度と非測定された貯水池電子の脱コヒーレンス効果によって説明できる電子-電子絡み合いの顕著な兆候は示さない。
複数の自由電子の量子状態を特徴づける能力は、基礎研究や量子電子顕微鏡で用いられる電子と電子の絡み合いの検証を可能にする可能性がある。
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