Een onderzoeksteam uit Garching en Wenen ontdekte een opmerkelijk echo-effect dat spannende nieuwe mogelijkheden biedt voor het werken met kwantuminformatie.

Kleine deeltjes kunnen een impulsmoment hebben dat in een bepaalde richting wijst:de spin. Deze spin kan worden gemanipuleerd door een magnetisch veld. Dit principe, bijvoorbeeld, is het basisidee achter magnetische resonantie beeldvorming zoals gebruikt in ziekenhuizen. Een internationaal onderzoeksteam heeft nu een verrassend effect ontdekt in een systeem dat bijzonder geschikt is voor het verwerken van kwantuminformatie:de spins van fosforatomen in een stukje silicium, gekoppeld aan een microgolfresonator. Als deze spins slim worden opgewonden met microgolfpulsen, een zogenaamd spin-echosignaal kan na een bepaalde tijd worden gedetecteerd - het geïnjecteerde pulssignaal wordt opnieuw uitgezonden als een kwantumecho. Verrassend genoeg, deze spin-echo komt niet één keer voor, maar een hele reeks echo's kan worden gedetecteerd. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor hoe informatie kan worden verwerkt met kwantumsystemen.

De experimenten werden uitgevoerd aan het Walther-Meissner-Instituut in Garching door onderzoekers van de Beierse Academie van Wetenschappen en Geesteswetenschappen en de Technische Universiteit van München, de theoretische verklaring is ontwikkeld aan de TU Wien (Wenen). Nu is het gezamenlijke werk gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

De echo van kwantumspins

"Spin-echo's zijn al lang bekend, dit is niets ongewoons, " zegt prof. Stefan Rotter van de TU Wien (Wenen). Ten eerste, een magnetisch veld wordt gebruikt om ervoor te zorgen dat de spins van veel atomen in dezelfde magnetische richting wijzen. Vervolgens worden de atomen bestraald met een elektromagnetische puls, en plotseling beginnen hun spins van richting te veranderen.

Echter, de atomen zijn ingebed in enigszins verschillende omgevingen. Het is daarom mogelijk dat er iets verschillende krachten op hun spins werken. "Als resultaat, de spin verandert niet voor alle atomen met dezelfde snelheid, " legt Dr. Hans Hübl van de Beierse Academie van Wetenschappen en Geesteswetenschappen uit. "Sommige deeltjes veranderen hun spinrichting sneller dan andere, en al snel heb je een wilde wirwar van spins met totaal verschillende oriëntaties."

Maar het is mogelijk om deze schijnbare chaos terug te spoelen - met behulp van een andere elektromagnetische puls. Een geschikte puls kan de vorige spinrotatie omkeren zodat de spins allemaal weer bij elkaar komen. "Je kunt je voorstellen dat het een beetje lijkt op het lopen van een marathon, " zegt Stefan Rotter. "Bij het startsignaal, alle lopers zijn nog bij elkaar. Omdat sommige lopers sneller zijn dan andere, het lopersveld wordt in de loop van de tijd steeds verder uit elkaar getrokken. Echter, als alle lopers nu het teken kregen om terug te keren naar de start, alle lopers keerden rond dezelfde tijd terug naar de start, hoewel snellere lopers een langere afstand terug moeten afleggen dan langzamere."

In het geval van spins, dit betekent dat op een bepaald moment alle deeltjes weer precies dezelfde spinrichting hebben - en dit wordt de spin-echo genoemd. "Op basis van onze ervaring op dit gebied, we hadden al verwacht dat we een spin-echo zouden kunnen meten in onze experimenten, ", zegt Hans Hübl. "Het opmerkelijke is dat we niet alleen een enkele echo konden meten, maar een reeks van meerdere echo's."

De spin die zichzelf beïnvloedt

Aanvankelijk, het was onduidelijk hoe dit nieuwe effect tot stand komt. Maar een gedetailleerde theoretische analyse maakte het nu mogelijk om het fenomeen te begrijpen:het is te wijten aan de sterke koppeling tussen de twee componenten van het experiment - de spins en de fotonen in een microgolfresonator, een elektrisch circuit waarin microgolven alleen bij bepaalde golflengten kunnen bestaan. "Deze koppeling is de essentie van ons experiment:je kunt informatie opslaan in de spins, en met behulp van de microgolffotonen in de resonator kun je het aanpassen of uitlezen, ", zegt Hans Hübl.

De sterke koppeling tussen de atoomspins en de microgolfresonator is ook verantwoordelijk voor de meervoudige echo's:als de spins van de atomen allemaal in dezelfde richting wijzen in de eerste echo, dit produceert een elektromagnetisch signaal. "Dankzij de koppeling met de microgolfresonator, dit signaal werkt terug op de spins, en dit leidt tot een andere echo - en verder en verder, " legt Stefan Rotter uit. "De spins zelf veroorzaken de elektromagnetische puls, die verantwoordelijk is voor de volgende echo."

De fysica van de spin-echo is van groot belang voor technische toepassingen - het is een belangrijk basisprincipe achter magnetische resonantiebeeldvorming. De nieuwe mogelijkheden van de meervoudige echo, zoals de verwerking van kwantuminformatie, wordt nu nader bekeken. "Zeker, meerdere echo's in spin-ensembles die sterk zijn gekoppeld aan de fotonen van een resonator zijn een opwindend nieuw hulpmiddel. Het zal niet alleen nuttige toepassingen vinden in de kwantuminformatietechnologie, maar ook in op spin gebaseerde spectroscopiemethoden, " zegt Rudolf Gross, co-auteur en directeur van het Walther-Meissner-Instituut.