Gdy spiny atomów fosforu w krzemie są zasilane mikrofalami, po pewnym czasie można wykryć sygnał kwantowego echa spinu.
Cząstki podstawowe mogą mieć moment kątowy, który wskazuje w określonym kierunku – rodzaj „spinu”, rotacji lub, jak jest to bardziej znane, spin.
A spin cząsteczki może być manipulowany przez pole magnetyczne. Zasada ta jest podstawową ideą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego stosowanego w szpitalach, komponentach spintronicznych i różnego rodzaju kubitach stosowanych w komputerach kwantowych.
Jedną z największych trudności we wszystkich tych zastosowaniach jest to, że określony spin – lub, bardziej ogólnie, stan kwantowy cząstki – jest bardzo kruchy, tracony przez minimalny szum lub interferencję.
Międzynarodowy zespół badawczy odkrył teraz zaskakujący efekt, który jest szczególnie odpowiedni do radzenia sobie z tym szumem i przetwarzania informacji kwantowych w solidny sposób: spiny atomów fosforu włożone do płytki krzemowej wytwarzają echo. I tak jak echo dźwiękowe, echo spinu powtarza się w serii, której zanikanie zajmuje dużo czasu.
Różnica w stosunku do echa dźwiękowego polega na tym, że tutaj nie chodzi o krzyk, ale o impulsy energii. Kiedy oryginalny spin jest wzmacniany impulsami mikrofalowymi, wytwarza echo spinu, które można wykryć po pewnym czasie, a sygnał z wstrzykniętego impulsu jest ponownie emitowany jako echo kwantowe.
Oznacza to, że dane przechowywane w cząstce stają się znacznie bardziej niezawodne – jeśli dane zostaną utracone, nadal zostaną wybite na echach – zmniejszając poziom błędów i poprawiając wydajność systemu.
Co to jest echo kwantowe?
Echa kwantowe nie są dokładnie nowością, ale impulsy energii, które je generują, docierają do wielu atomów, które reagują w różnym czasie, co w praktyce powoduje więcej bałaganu poruszających się spinów i wielu ech niż sytuacja stabilna.
Stefan Weichselbaumer i jego koledzy z Uniwersytetu Wiedeńskiego odkryli, że możliwe jest odwrócenie tego pozornego chaosu za pomocą innego impulsu elektromagnetycznego – odpowiedni impuls może odwrócić rotację spinu, zmuszając wszystkich do ponownej koordynacji.
Składniki spintroniczne nie zużywają prawie żadnej energii, poza tym spin elektronów może wyzwalać mikromaszyny.
„Można sobie wyobrazić, że to trochę jak przebiegnięcie maratonu” – zilustrował profesor Stefan Rotter. „Na sygnał startu wszyscy biegacze nadal są razem. Ponieważ niektórzy biegacze są szybsi od innych, grupa biegaczy z czasem staje się coraz większa. Gdyby jednak wszyscy biegacze otrzymali sygnał powrotu do startu, wszyscy biegacze wracaliby na start mniej więcej w tym samym czasie, chociaż szybsi biegacze muszą pokonać większą odległość do tyłu niż wolniejsi ”.
Echo kwantowe reprezentuje dokładnie to – echo momentu, w którym wszystkie spiny zostały początkowo wyrównane. „Niezwykłe jest to, że nie byliśmy w stanie zmierzyć tylko jednego echa, ale serię kilku ech” – powiedział Hans Hubl, członek zespołu.
Informacje kwantowe i testy medyczne
Zespół był również w stanie zidentyfikować, jak to możliwe, że to kwantowe echo może sprawić, że wszyscy biegacze powrócą do punktu wyjścia jak za pomocą magii. Występuje silne sprzężenie między spinami a fotonami rezonatora mikrofalowego używanego do ich zasilania. „To sprzężenie jest esencją naszego eksperymentu: możesz przechowywać informacje w spinach, a za pomocą fotonów mikrofalowych w rezonatorze możesz je modyfikować lub odczytywać” – wyjaśnia Hubl.
Fizyka echa spinowego ma ogromne znaczenie w zastosowaniach technicznych i może usprawnić na przykład badania obrazowania metodą rezonansu magnetycznego. Zespół zamierza jednak skoncentrować swoje wysiłki na nowych możliwościach, jakie daje wielokrotne echo, takich jak przetwarzanie informacji kwantowych. „Oczywiście kilka ech w zestawach spinowych silnie sprzężonych z fotonami rezonatora to nowe i ekscytujące narzędzie. Znajdzie użyteczne zastosowania nie tylko w informatyce kwantowej, ale także w metodach spektroskopii spinowej ”- powiedział profesor Rudolf Gross.
