Spinekoets tilbagevenden

Et forskerhold fra Garching og Wien opdagede en bemærkelsesværdig ekkoeffekt, der giver spændende nye muligheder for at arbejde med kvanteinformation.

Små partikler kan have et vinkelmoment, der peger i en bestemt retning - spin. Dette spin kan manipuleres af et magnetfelt. Dette princip, for eksempel, er grundtanken bag magnetisk resonansbilleddannelse som brugt på hospitaler. Et internationalt forskerhold har nu opdaget en overraskende effekt i et system, der er særligt velegnet til behandling af kvanteoplysninger:spinnene af fosforatomer i et stykke silicium, koblet til en mikrobølge resonator. Hvis disse spins er smart begejstret med mikrobølge pulser, et såkaldt spin-ekkosignal kan detekteres efter et bestemt tidspunkt-det injicerede pulssignal udsendes igen som et kvanteekko. Overraskende, dette spin -ekko forekommer ikke kun én gang, men en hel række ekkoer kan detekteres. Dette åbner nye muligheder for, hvordan information kan behandles med kvantesystemer.

Eksperimenterne blev udført på Walther-Meissner-instituttet i Garching af forskere fra det bayerske videnskabs- og humanioraakademi og det tekniske universitet i München, den teoretiske forklaring blev udviklet på TU Wien (Wien). Nu er det fælles arbejde blevet offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Ekkoet af kvantespins

"Spinekko har været kendt i lang tid, dette er ikke noget usædvanligt, "siger professor Stefan Rotter fra TU Wien (Wien). Først, et magnetfelt bruges til at sikre, at mange atomers spins peger i samme magnetiske retning. Derefter bestråles atomerne med en elektromagnetisk puls, og pludselig begynder deres spins at ændre retning.

Imidlertid, atomerne er indlejret i lidt forskellige miljøer. Det er derfor muligt, at lidt forskellige kræfter virker på deres spins. "Som resultat, centrifugeringen ændres ikke med samme hastighed for alle atomer, "forklarer Dr. Hans Hübl fra det bayerske videnskabs- og humanioraakademi." Nogle partikler ændrer deres spin -retning hurtigere end andre, og snart har du et vildt virvar af spins med helt andre retninger. "

Men det er muligt at spole dette tilsyneladende kaos tilbage - ved hjælp af en anden elektromagnetisk puls. En passende puls kan vende den tidligere centrifugering, så spinnene alle kommer sammen igen. "Du kan forestille dig, at det er lidt som at løbe et maraton, "siger Stefan Rotter." Ved startsignalet, alle løberne er stadig sammen. Da nogle løbere er hurtigere end andre, løberfeltet trækkes længere og længere fra hinanden over tid. Imidlertid, hvis alle løbere nu fik signal om at vende tilbage til starten, alle løbere ville vende tilbage til starten på omtrent samme tid, selvom hurtigere løbere skal tilbagelægge en længere afstand tilbage end langsommere. "

I tilfælde af spins, det betyder, at alle partikler på et bestemt tidspunkt igen har nøjagtig samme spinretning - og dette kaldes spin -ekko. "Baseret på vores erfaring på dette område, vi havde allerede regnet med at kunne måle et spin -ekko i vores eksperimenter, "siger Hans Hübl." Det bemærkelsesværdige er, at vi ikke kun var i stand til at måle et enkelt ekko, men en række af flere ekkoer. "

Det spin, der påvirker sig selv

I starten det var uklart, hvordan denne nye effekt opstår. Men en detaljeret teoretisk analyse gjorde det nu muligt at forstå fænomenet:Det skyldes den stærke kobling mellem eksperimentets to komponenter - spins og fotoner i en mikrobølge -resonator, et elektrisk kredsløb, hvor mikrobølger kun kan eksistere ved bestemte bølgelængder. "Denne kobling er essensen af ​​vores eksperiment:Du kan gemme oplysninger i spins, og ved hjælp af mikrobølge -fotoner i resonatoren kan du ændre den eller læse den op, ”siger Hans Hübl.

Den stærke kobling mellem atomspins og mikrobølgeresonatoren er også ansvarlig for de mange ekkoer:Hvis atomernes spin alle peger i samme retning i det første ekko, dette producerer et elektromagnetisk signal. "Takket være koblingen til mikrobølge -resonatoren, dette signal virker tilbage på spins, og dette fører til et andet ekko - og ved og ved, "forklarer Stefan Rotter." Selve spinnene forårsager den elektromagnetiske puls, som er ansvarlig for det næste ekko. "

Spinekoets fysik har stor betydning for tekniske applikationer - det er et vigtigt grundlæggende princip bag magnetisk resonansbilleddannelse. De nye muligheder, der tilbydes af multiple echo, såsom behandling af kvanteoplysninger, vil nu blive undersøgt mere detaljeret. "Helt sikkert, flere ekkoer i spin -ensembler, der er stærkt koblet til fotonerne i en resonator, er et spændende nyt værktøj. Det vil ikke kun finde nyttige applikationer inden for kvanteinformationsteknologi, men også i spin-baserede spektroskopimetoder, "siger Rudolf Gross, medforfatter og direktør for Walther-Meissner-instituttet.