Kwantumfysica heeft geleid tot nieuwe soorten sensoren, veilige datatransmissiemethoden en onderzoekers werken aan computers. Echter, het belangrijkste obstakel is het vinden van de juiste manier om een ​​voldoende aantal kwantumsystemen te koppelen en nauwkeurig te besturen (bijvoorbeeld individuele atomen).

Een team van onderzoekers van de TU Wien en Harvard University heeft een nieuwe manier gevonden om kwantuminformatie over te dragen. Ze stellen voor om kleine mechanische trillingen te gebruiken. De atomen zijn gekoppeld via fononen - de kleinste kwantummechanische eenheden van trillingen of geluidsgolven.

"We testen kleine diamanten met ingebouwde siliciumatomen - deze kwantumsystemen zijn bijzonder veelbelovend, ", zegt professor Peter Rabl van de TU Wien. "Normaal gesproken diamanten zijn uitsluitend gemaakt van koolstof, maar het toevoegen van siliciumatomen op bepaalde plaatsen creëert defecten in het kristalrooster waar kwantuminformatie kan worden opgeslagen." Deze microscopische fouten in het kristalrooster kunnen worden gebruikt als kleine schakelaars die kunnen worden geschakeld tussen een toestand van hogere energie en een toestand van lagere energie microgolven gebruiken.

Samen met een team van Harvard University, De onderzoeksgroep van Peter Rabl heeft een nieuw idee ontwikkeld om de gerichte koppeling van deze quanta binnen de diamant te realiseren. Een voor een, ze kunnen worden ingebouwd in een kleine diamantstaaf van slechts enkele micrometers lang, als individuele parels aan een ketting. Net als een stemvork, deze staaf kan dan in trilling worden gebracht, maar deze trillingen zijn zo klein dat ze alleen kunnen worden beschreven met behulp van de kwantumtheorie. Door deze trillingen kunnen de siliciumatomen een kwantummechanische verbinding met elkaar vormen.

"Licht wordt gemaakt van fotonen, de hoeveelheid licht. Op dezelfde manier, mechanische trillingen of geluidsgolven kunnen ook op een kwantummechanische manier worden beschreven. Ze zijn samengesteld uit fononen - de kleinst mogelijke eenheden van mechanische trillingen, " legt Peter Rabl uit. Zoals het onderzoeksteam nu heeft kunnen aantonen met behulp van simulatieberekeningen, een willekeurig aantal van deze quanta kan via fononen aan elkaar worden gekoppeld in de diamantstaaf. Met microgolven worden de afzonderlijke siliciumatomen in- en uitgeschakeld. Tijdens dit proces, ze zenden of absorberen fononen. Dit creëert een kwantumverstrengeling van de siliciumdefecten, waardoor kwantuminformatie kan worden overgedragen.

Tot nu, het was niet duidelijk of zoiets überhaupt mogelijk was. "Normaal zou je verwachten dat de fononen ergens worden geabsorbeerd, of om in contact te komen met de omgeving en zo hun kwantummechanische eigenschappen te verliezen, ", zegt Peter Rabl. "Fononen zijn de vijand van kwantuminformatie, bij wijze van spreken. Maar met onze berekeningen dat hebben we kunnen laten zien, wanneer ze op de juiste manier worden gecontroleerd met behulp van microgolven, de fononen zijn, in feite, bruikbaar voor technische toepassingen."

Het belangrijkste voordeel van deze nieuwe technologie ligt in de schaalbaarheid. "Er zijn veel ideeën voor kwantumsystemen die, in principe, kan worden gebruikt voor technologische toepassingen. Het grootste probleem is dat het erg moeilijk is om er genoeg van aan te sluiten om ingewikkelde computerbewerkingen uit te kunnen voeren, ", zegt Peter Rabl. De nieuwe strategie om fononen voor dit doel te gebruiken, zou de weg kunnen banen naar een schaalbare kwantumtechnologie.