Onderzoekers van het Center for Quantum Nanoscience (QNS) binnen het Institute for Basic Science (IBS) bereikten een grote doorbraak in het afschermen van de kwantumeigenschappen van afzonderlijke atomen op een oppervlak. De wetenschappers gebruikten het magnetisme van enkele atomen, bekend als spin, als basisbouwsteen voor de verwerking van kwantuminformatie. De onderzoekers konden aantonen dat door twee atomen dicht bij elkaar te pakken, ze hun fragiele kwantumeigenschappen veel beter konden beschermen dan voor slechts één atoom.

De spin is een fundamenteel kwantummechanisch object en bepaalt de magnetische eigenschappen van materialen. In een klassiek beeld, de spin kan vaak worden beschouwd als de naald van een kompas. De noord- of zuidpool van de naald, bijvoorbeeld, kan spin omhoog of omlaag vertegenwoordigen. Echter, volgens de wetten van de kwantummechanica, de spin kan ook tegelijkertijd in beide richtingen wijzen. Deze superpositietoestand is erg kwetsbaar omdat de interactie van de spin met de lokale omgeving defasering van de superpositie veroorzaakt. Het begrijpen van het defaseringsmechanisme en het verbeteren van de kwantumcoherentie zijn een van de belangrijkste ingrediënten voor op spin gebaseerde kwantuminformatieverwerking.

In dit onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang op 9 november 2018, QNS-wetenschappers probeerden de decoherentie van afzonderlijke atomen te onderdrukken door ze dicht bij elkaar te plaatsen. de spins, waarvoor ze enkele titaniumatomen gebruikten, werden bestudeerd met behulp van een scherpe metalen punt van een scanning tunneling microscoop en de spintoestanden van de atomen werden gedetecteerd met behulp van elektronenspinresonantie. De onderzoekers ontdekten dat door de atomen heel dicht bij elkaar te brengen (1 miljoen keer dichterbij dan een millimeter), ze zouden de superpositietoestanden van deze twee magnetisch gekoppelde atomen 20 keer langer kunnen beschermen in vergelijking met een individueel atoom.

"Als een falanx, de twee atomen waren in staat om elkaar beter te beschermen tegen invloeden van buitenaf dan alleen, " zei Dr. Yujeong Bae, onderzoeker bij QNS en eerste auteur van de studie. "Op die manier, de verstrengelde kwantumtoestanden die we creëerden werden niet beïnvloed door omgevingsverstoringen zoals magnetische veldruis."

"Dit is een belangrijke ontwikkeling die laat zien hoe we de toestanden van atomen kunnen engineeren en voelen. Dit stelt ons in staat om hun mogelijkheid te onderzoeken om te worden gebruikt als kwantumbits voor toekomstige kwantuminformatieverwerking, " zei prof. Andreas Heinrich, directeur van QNS. In toekomstige experimenten, de onderzoekers zijn van plan om nog geavanceerdere structuren te bouwen om de kwantumeigenschappen van afzonderlijke atomen en nanostructuren te verkennen en te verbeteren.