Исследовательская группа из Гархинга и Вены обнаружила замечательный эффект эха, который предлагает новые захватывающие возможности для работы с квантовой информацией.
Мелкие частицы могут иметь угловой момент, указывающий в определенном направлении - так называемый спин. Этим вращением можно управлять с помощью магнитного поля. Это используется, например, для магнитно-резонансной томографии, используемой в больницах. Международная исследовательская группа обнаружила удивительный эффект в системе, которая особенно хорошо подходит для обработки квантовой информации: спины атомов фосфора в куске кремния, который можно соединить с микроволновым резонатором. Если эти спины ловко возбудить микроволновыми импульсами, через определенное время можно обнаружить так называемый сигнал спинового эха - подаваемый импульсный сигнал повторно излучается в виде квантового эха. Удивительно, но это квантовое эхо появляется не только один раз, но может быть обнаружена целая серия эхо. Это открывает новые возможности для обработки информации такими квантовыми системами.
Эксперименты проводились в Институте Вальтера Мейснера в Гархинге Баварской академии наук и Техническом университете Мюнхена, теоретическое объяснение этому было создано в Техническом университете Вены. Совместная работа опубликована в журнале «Physical Review Letters».
Эхо квантовых вращений
«Спиновое эхо известно давно, в этом нет ничего необычного», - говорит профессор Стефан Роттер из Венского технологического университета. Прежде всего, магнитное поле используется для того, чтобы спины многих частиц были направлены в одном и том же магнитном направлении. Затем вы облучаете частицы электромагнитным импульсом, и внезапно их спины начинают менять направление.
Однако каждая частица находится в немного разной среде. Поэтому возможно, что на разные частицы действуют немного разные силы. «В результате спин не меняется с одинаковой скоростью для всех частиц», - объясняет доктор. Ханс Хюбл из Баварской академии наук. «Некоторые частицы меняют направление своего вращения быстрее, чем другие, и вскоре вы получаете дикую смесь спинов с совершенно разными ориентациями».
Можно, однако, внести новый порядок в этот кажущийся хаос - с помощью другого электромагнитного импульса. Подходящий импульс может обратить вспять предыдущее вращение спина, так что все спины снова сойдутся. «Вы можете представить это как марафон», - говорит Стефан Роттер. «Когда дан стартовый сигнал, все бегуны все еще вместе на старте; поскольку одни бегуны бегут быстрее других, круг бегунов с течением времени все больше и больше отдаляется друг от друга. Однако, если бы теперь всем бегунам дали сигнал вернуться на старт, все бегуны вернулись бы на старт примерно в одно и то же время, хотя более быстрые бегуны возвращались бы дольше, чем более медленные».
В случае со спинами это означает, что в определенный момент времени все частицы снова имеют точно такое же направление вращения - и это называется "спиновым эхом". «Основываясь на нашем опыте в этой области, мы уже ожидали, что сможем измерить спиновое эхо в наших экспериментах», - говорит Ханс Хюбл. «Однако примечательно то, что мы смогли измерить не только одно эхо, но и несколько одновременно».
Вращение, которое воздействует на себя
Изначально было неясно, как появился этот новый эффект. Но теперь более подробный теоретический анализ позволил понять это явление: оно связано с сильной связью между двумя компонентами эксперимента - спинами и фотонами в микроволновом резонаторе, электрической цепи, в которой микроволны могут существовать только при определенные длины волн.«Эта связь является сутью нашего эксперимента: информация может храниться в спинах, а с помощью микроволновых фотонов в резонаторе их можно изменять и считывать», - говорит Ганс Хюбл.
Сильная связь между атомными спинами и микроволновым резонатором также является причиной множественного эха: если в первом эхо спины всех атомов указывают в одном направлении, создается электромагнитное эхо.. «Благодаря соединению с микроволновым резонатором этот сигнал воздействует обратно на спины, что приводит к другому эху - и так далее», - объясняет Стефан Роттер. «Сами вращения вызывают электромагнитный импульс, ответственный за следующее эхо».
Физика спинового эха имеет большое значение для технических приложений - это важный базовый принцип магнитно-резонансной томографии. Какие новые возможности теперь есть у многократного эха, например, для обработки квантовой информации, теперь будут рассмотрены более подробно.«Несомненно то, что это открывает совершенно новые возможности», - говорит Рудольф Гросс, соавтор исследования и директор Института Вальтера-Мейснера в Гархинге и профессор технической физики Мюнхенского технического университета. «Регулярная серия квантовых физических сигналов - это новый захватывающий инструмент для нас».