Wanneer de spins van fosforatomen in silicium worden bekrachtigd met microgolven, kan na een bepaalde tijd een spinkwantumechosignaal worden gedetecteerd.
Fundamentele deeltjes kunnen een hoekmoment hebben dat in een bepaalde richting wijst – een soort “spin”, rotatie of, zoals meer algemeen bekend, een spin.
En de spin van een deeltje kan worden gemanipuleerd door een magnetisch veld. Dit principe is het basisidee achter magnetische resonantiebeeldvorming die wordt gebruikt in ziekenhuizen, spintronische componenten en verschillende soorten qubits die worden gebruikt in kwantumcomputers.
Een van de grootste moeilijkheden bij al deze toepassingen is dat een bepaalde spin – of, meer algemeen, een kwantumtoestand van een deeltje – erg kwetsbaar is en verloren gaat door minimale ruis of interferentie.
Een internationaal onderzoeksteam heeft nu een verrassend effect ontdekt dat bijzonder geschikt is om op een robuuste manier met deze ruis om te gaan en kwantuminformatie te verwerken: de spins van fosforatomen die in een siliciumwafel worden ingebracht, produceren een echo. En net als sonische echo’s wordt de echo van de spin herhaald in een reeks die lang duurt om te vervagen.
Het verschil met de geluidsecho is dat het hier niet gebeurt met schreeuwen, maar met pulsen van energie. Wanneer een originele spin wordt versterkt met microgolfpulsen, produceert deze een spinecho die na een bepaalde tijd kan worden gedetecteerd, waarbij het signaal van de geïnjecteerde puls opnieuw wordt afgegeven als een kwantumecho.
Dit betekent dat de gegevens die in het deeltje zijn opgeslagen, veel robuuster worden – als de gegevens verloren gaan, worden ze nog steeds op de echo’s gestempeld – waardoor het foutenpercentage afneemt en de efficiëntie van het systeem wordt verbeterd.
Wat is Quantum-echo?
Kwantumecho’s zijn niet bepaald nieuw, maar de energiepulsen die ze opwekken bereiken een veelvoud aan atomen, die in verschillende tijden reageren, wat in de praktijk meer een warboel van bewegende spins en meerdere echo’s oplevert dan een stabiele situatie.
Wat Stefan Weichselbaumer en zijn collega’s van de Universiteit van Wenen hebben ontdekt, is dat het mogelijk is om deze schijnbare chaos om te keren met behulp van een andere elektromagnetische puls – een geschikte puls kan de rotatierotatie omkeren, waardoor iedereen weer kan coördineren.
De spintronische componenten verbruiken bijna geen energie, behalve dat de elektronen die draaien micromachines kunnen triggeren.
“Je kunt je voorstellen dat het een beetje lijkt op het lopen van een marathon”, illustreerde professor Stefan Rotter. “Bij het startsignaal zijn alle lopers nog bij elkaar. Omdat sommige hardlopers sneller zijn dan andere, wordt de groep hardlopers in de loop van de tijd groter en groter. Als alle lopers echter het signaal zouden krijgen om terug te keren naar de start, zouden alle lopers min of meer tegelijkertijd naar de start terugkeren, hoewel snellere lopers een grotere afstand terug moeten afleggen dan langzamere lopers ”.
De kwantumecho vertegenwoordigt precies dat – een echo van wanneer alle spins aanvankelijk waren uitgelijnd. “Wat opmerkelijk is, is dat we niet één enkele echo konden meten, maar een reeks van meerdere echo’s”, aldus Hans Hubl, een teamlid.
Quantuminformatie en medische tests
Het team was ook in staat om te identificeren hoe het mogelijk is dat deze kwantumecho alle hardlopers als bij toverslag naar het startpunt kan doen terugkeren. Wat er gebeurt, is een sterke koppeling tussen de spins en de fotonen van de microgolfresonator die wordt gebruikt om ze van energie te voorzien. “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 ze aanpassen of aflezen,” legt Hubl uit.
De fysica van de spinecho is van groot belang voor technische toepassingen en kan bijvoorbeeld magnetische resonantiebeeldvormingsonderzoeken verbeteren. Maar het team is van plan zich te concentreren op de nieuwe mogelijkheden die multiple echo biedt, zoals de verwerking van kwantuminformatie. “Natuurlijk zijn verschillende echo’s in spinsets die sterk gekoppeld zijn aan de fotonen van een resonator een nieuw en opwindend instrument. Het zal niet alleen nuttige toepassingen vinden in de kwantuminformatietechnologie, maar ook in spin-gebaseerde spectroscopiemethoden, ”zei professor Rudolf Gross.