Przełomowa obserwacja w skali atomowej
Zespół z Uniwersytetu Technicznego w Delft wykorzystał skaningowy mikroskop tunelowy do odczytania spinu jądrowego poprzez elektrony w tym samym atomie. Badacze pracowali z atomami tytanu-49 umieszczonymi na specjalnym podłożu, osiągając niezwykłą precyzję pomiarów.
Byliśmy w stanie pokazać, że to przełączanie odpowiada przełączaniu spinu jądrowego z jednego stanu kwantowego na inny i z powrotem – wyjaśnia Evert Stolte, współautor badań
Czytaj też: Fizycy przecierają oczy ze zdumienia. Zwykły rozpad kaonu podważa podstawy współczesnej nauki
Kluczowe okazało się tempo pomiarów, ponieważ naukowcy mogli obserwować zmiany stanów szybciej niż one następowały, nie zakłócając przy tym samego procesu. To pozwoliło na realizację tzw. odczytu pojedynczego strzału, techniki do tej pory istniejącej głównie w sferze teorii. Najbardziej zaskakujący okazał się czas utrzymywania stanów przez badane spiny. Spin jądrowy pozostawał w jednym stanie przez około 5,3 sekundy, co w skali kwantowej jest wręcz niesłychanie długim okresem. Dla porównania, spin elektronowy w tym samym atomie utrzymuje się zaledwie przez 100 nanosekund. Ta różnica – sięgająca siedmiu rzędów wielkości – wynika z lepszej izolacji spinów jądrowych od otoczenia. Właśnie ta cecha czyni je tak atrakcyjnymi kandydatami na kubity kwantowe, czyli podstawowe elementy przyszłych komputerów kwantowych. Co ciekawe, obserwowana żywotność okazała się dłuższa niż czas narastania konwencjonalnych wzmacniaczy używanych w mikroskopach tunelowych. To właśnie umożliwiło bezpośredni odczyt stanu z wysoką dokładnością.
Kontrola nad dotychczas nieuchwytnym zjawiskiem
Badacze zidentyfikowali główny mechanizm ograniczający żywotność spinów – tzw. kanał relaksacji flip-flop między spinami jądrowymi a elektronowymi. To odkrycie otwiera możliwości precyzyjnej kontroli nad tymi kwantowymi obiektami.
Pierwszy krok na każdej nowej granicy eksperymentalnej to możliwość pomiaru i to właśnie udało nam się zrobić dla spinów jądrowych w skali atomowej – dodaje Stolte
Czytaj też: Klasyczna statystyka dociera tam, gdzie nie sięgnął Einstein. Reguła Bayesa teraz działa w świecie kwantów
Opracowana metodologia może znaleźć zastosowanie w badaniach innych atomów i cząsteczek. To tworzy perspektywy równoległych operacji kwantowych na rozbudowanych strukturach atomowych, co byłoby podstawą przyszłych symulatorów kwantowych i systemów przetwarzania informacji. Badania opublikowane w Nature Communications stanowią ważny krok w rozwoju technologii kwantowych. Możliwość precyzyjnej kontroli pojedynczych spinów jądrowych przybliża nas do ery, w której kwantowe właściwości materii mogą stać się narzędziami codziennego użytku. Nawet bez ustalonych ram czasowych w kontekście praktycznych zastosowań, same obserwacje robią wrażenie i pokazują, że kwantowa rewolucja nabiera tempa.