Ny tilgang til sammenhængende kontrol af et kvantesystem på tre niveauer

For første gang, forskere var i stand til at studere kvanteinterferens i et kvantesystem på tre niveauer og derved kontrollere adfærden hos individuelle elektronspins. Til denne ende, de brugte en ny nanostruktur, hvor et kvantesystem er integreret i en nanoskala mekanisk oscillator i form af en diamantudkragning. Naturfysik har offentliggjort undersøgelsen, som blev udført ved University of Basel og Swiss Nanoscience Institute.

Elektronespin er en grundlæggende kvantemekanisk egenskab. I kvanteverdenen, det elektroniske spin beskriver elektronens rotationsretning omkring sin akse, som normalt kan optage to såkaldte egenstater, der almindeligvis betegnes som "op" og "ned". Spins kvanteegenskaber tilbyder interessante perspektiver for fremtidige teknologier, for eksempel, i form af ekstremt præcise kvantesensorer.

Kombination af spins med mekaniske oscillatorer

Forskere ledet af professor Patrick Maletinsky og ph.d. kandidat Arne Barfuss fra Swiss Nanoscience Institute ved University of Basel rapporterer i Naturfysik en ny metode til at styre kvantespinnet med et mekanisk system.

Til deres eksperimentelle undersøgelse, de kombinerede et sådant kvantesystem med en mekanisk oscillator. Mere specifikt, forskerne ansatte elektroner fanget i såkaldte nitrogen-ledige centre og indlejrede disse spins i enkeltkrystallinske mekaniske resonatorer fremstillet af diamant.

Disse kvælstof-ledige centrifugeringer er specielle, ved at de ikke kun besidder to, men tre egenstater, som kan beskrives som "op, "" ned "og" nul. "Ved hjælp af den specielle kobling af en mekanisk oscillator til centrifugeringen, de viste for første gang fuldstændig kvantekontrol over et sådant system på tre niveauer, på en måde, der ikke var mulig før.

I særdeleshed, oscillatoren tillod dem at adressere alle tre mulige overgange i centrifugeringen og studere, hvordan de resulterende excitationsveje forstyrrer hinanden. Dette scenario, kendt som "lukket-kontur kørsel, "har aldrig været undersøgt før, men åbner interessante fundamentale og praktiske perspektiver. For eksempel, deres eksperiment tillod en afbrydelse af tidsomvendt symmetri, hvilket betyder, at systemets egenskaber ser fundamentalt anderledes ud, hvis tidens retning vendes end uden en sådan inversion. I dette scenario, fasen af ​​den mekaniske oscillator afgjorde, om centrifugeringen cirkulerede "med uret" (rotationsretning opad, ned, nul, op) eller "mod uret".

Dette abstrakte koncept har praktiske konsekvenser for de skrøbelige kvantetilstande. Ligesom det velkendte Schrödingers Cat tankeeksperiment, spins kan eksistere samtidigt i en superposition af to eller tre af de tilgængelige egenstater i en bestemt periode, den såkaldte kvantesammenhængstid.

Hvis de tre egenstater er koblet til hinanden ved hjælp af den lukkede konturkørsel, der opdages her, sammenhængstiden kan forlænges betydeligt, som forskerne kunne vise. Sammenlignet med systemer, hvor kun to af de tre mulige overgange drives, sammenhæng steg næsten hundrede gange. Sådan kohærensbeskyttelse er et centralt element for fremtidige kvanteteknologier og et andet hovedresultat af dette arbejde.

Resultaterne har et stort potentiale for fremtidige applikationer. Det kan tænkes, at hybridresonator-spin-systemet kan bruges til præcis måling af tidsafhængige signaler med frekvenser i gigahertz-området-f.eks. i kvantefølelse eller kvanteinformationsbehandling. For tidsafhængige signaler, der kommer fra nanoskalaobjekter, sådanne opgaver er i øjeblikket meget vanskelige at løse. Her, kombinationen af ​​spin og et oscillerende system kan være nyttig, især på grund af den demonstrerede beskyttelse af spin -kohærens.