Когда спины атомов фосфора в кремнии возбуждаются микроволнами, сигнал спинового квантового эха может быть обнаружен через определенное время.
Фундаментальные частицы могут иметь угловой момент, указывающий в определенном направлении – своего рода «спин», вращение или, как более широко известно, спин.
А спином частицы можно управлять с помощью магнитного поля. Этот принцип является основной идеей магнитно-резонансной томографии, используемой в больницах, компонентов спинтроники и различных типов кубитов, используемых в квантовых вычислениях.
Одна из самых больших трудностей во всех этих приложениях заключается в том, что определенный спин – или, в более общем смысле, квантовое состояние частицы – очень хрупкий и теряется из-за минимального шума или помех.
Международная исследовательская группа обнаружила удивительный эффект, который особенно подходит для борьбы с этим шумом и надежной обработки квантовой информации: спины атомов фосфора, вставленные в кремниевую пластину, создают эхо. И точно так же, как звуковое эхо, эхо вращения повторяется сериями, для исчезновения которых требуется много времени.
Отличие звукового эха в том, что здесь дело не в крике, а в импульсах энергии. Когда исходный спин усиливается микроволновыми импульсами, он создает спиновое эхо, которое может быть обнаружено через определенное время, при этом сигнал от введенного импульса переиздается как квантовое эхо.
Это означает, что данные, хранящиеся в частице, становятся намного более надежными – если данные потеряны, они все равно будут отмечены на эхо-сигналах, что снижает частоту ошибок и повышает эффективность системы.
Что такое квантовое эхо?
Квантовые эхо не совсем новинка, но генерирующие их импульсы энергии достигают множества атомов, которые реагируют в разное время, что на практике создает больше беспорядка движущихся спинов и множественных эхо, чем стабильная ситуация.
Стефан Вайхзельбаумер и его коллеги из Венского университета обнаружили, что этот очевидный хаос можно обратить вспять с помощью другого электромагнитного импульса – подходящий импульс может обратить вращение спина, заставляя всех снова координировать свои действия.
Компоненты спинтроники почти не расходуют энергии, к тому же спин электронов может запускать микромашины.
«Вы можете представить, что это немного похоже на марафон», – проиллюстрировал профессор Стефан Роттер. «При стартовом сигнале все бегуны по-прежнему вместе. Поскольку одни бегуны быстрее других, группа бегунов со временем становится все больше и больше. Однако, если все бегуны получат сигнал вернуться на старт, все бегуны вернутся на старт более или менее одновременно, хотя более быстрым бегунам придется преодолевать большее расстояние назад, чем более медленным ».
Квантовое эхо представляет собой именно это – эхо того момента, когда все спины были изначально выровнены. «Что примечательно, так это то, что мы не смогли измерить только одно эхо, а серию из нескольких эхосигналов», – сказал Ханс Хубл, член команды.
Квантовая информация и медицинские тесты
Команда также смогла определить, как это квантовое эхо может заставить всех бегунов вернуться в исходную точку, как по волшебству. Происходит сильная связь между спинами и фотонами микроволнового резонатора, используемого для их возбуждения. «Эта связь является сутью нашего эксперимента: вы можете хранить информацию в спинах, а с помощью микроволновых фотонов в резонаторе вы можете изменять или считывать их», – пояснил Хабл.
Физика спинового эха имеет большое значение для технических приложений и, например, может улучшить исследования магнитно-резонансной томографии. Но команда намерена сосредоточить свои усилия на новых возможностях, предлагаемых множественным эхо, таких как обработка квантовой информации. «Конечно, несколько эхо-сигналов в спиновых наборах, сильно связанных с фотонами резонатора, являются новым и интересным инструментом. Он найдет полезные приложения не только в квантовой информационной технологии, но и в методах спиновой спектроскопии », – сказал профессор Рудольф Гросс.
