シリコン中のリン原子のスピンにマイクロ波を加えると、一定時間後にスピン量子エコー信号を検出することができます。
素粒子は、特定の方向を指す角運動量を持つことができます–一種の「スピン」、回転、またはより一般的に知られているように、スピン。
そして、粒子のスピンは磁場によって操作することができます。 この原理は、病院で使用される磁気共鳴画像法、スピントロニクスコンポーネント、および量子コンピューティングで使用されるさまざまなタイプのキュービットの背後にある基本的な考え方です。
これらすべてのアプリケーションにおける大きな問題の1つは、特定のスピン、またはより一般的には粒子の量子状態が非常に壊れやすく、最小限のノイズや干渉によって失われることです。
国際的な研究チームは、このノイズを処理し、量子情報を堅牢な方法で処理するのに特に適した驚くべき効果を発見しました。シリコンウェーハに挿入されたリン原子のスピンがエコーを生成します。 そして、ソニックエコーと同じように、スピンのエコーは、フェードするのに長い時間がかかるシリーズで繰り返されます。
サウンドエコーとの違いは、ここでは叫び声ではなく、エネルギーのパルスで行われるということです。 元のスピンがマイクロ波パルスで強化されると、一定時間後に検出できるスピンエコーが生成され、注入されたパルスからの信号が量子エコーとして再発行されます。
これは、パーティクルに保存されたデータがはるかに堅牢になることを意味します。データが失われた場合でも、エコーにスタンプされます。エラー率が低下し、システムの効率が向上します。
クォンタムエコーとは何ですか？
量子エコーはまったく目新しいものではありませんが、それらを生成するエネルギーパルスは、さまざまな時間に応答する多数の原子に到達します。これにより、実際には、安定した状況よりも多くの移動スピンと複数のエコーが発生します。
ウィーン大学のStefanWeichselbaumerと彼の同僚が発見したのは、別の電磁パルスの助けを借りてこの明らかな混乱を逆転させることができるということです。適切なパルスはスピン回転を逆転させ、全員を再び調整させることができます。
「マラソンを走るようなものだと想像できます」とステファン・ロッター教授は説明します。 「スタート信号では、すべてのランナーがまだ一緒です。 一部のランナーは他のランナーよりも速いため、ランナーのグループは時間の経過とともにどんどん大きくなります。 ただし、すべてのランナーがスタートに戻る信号を受信した場合、すべてのランナーはほぼ同時にスタートに戻りますが、速いランナーは遅いランナーよりも長い距離をカバーする必要があります。
量子エコーはまさにそれを表しています–すべてのスピンが最初に整列したときのエコー。 「注目すべきは、1つのエコーだけではなく、一連の複数のエコーを測定できたことです」と、チームメンバーのHansHubl氏は述べています。
量子情報と医療検査
チームはまた、この量子エコーがすべてのランナーを魔法のようにスタート地点に戻すことができる可能性を特定することができました。 発生するのは、スピンと、それらにエネルギーを与えるために使用されるマイクロ波共振器の光子との間の強い結合です。 「この結合は私たちの実験の本質です。スピンに情報を保存し、共振器内のマイクロ波光子の助けを借りて、それらを変更または読み取ることができます」とHubl氏は説明しました。
スピンエコーの物理学は、技術的なアプリケーションにとって非常に重要であり、たとえば、磁気共鳴画像検査を改善することができます。 しかし、チームは、量子情報の処理など、複数のエコーによって提供される新しい可能性に注力するつもりです。 「もちろん、共振器の光子に強く結合したスピンセットのいくつかのエコーは、新しくエキサイティングなツールです。 量子情報技術だけでなく、スピンベースの分光法にも有用なアプリケーションが見つかるでしょう」とルドルフ・グロス教授は述べています。
