Quando gli spin degli atomi di fosforo nel silicio vengono energizzati con le microonde, un segnale di eco quantico di spin può essere rilevato dopo un certo tempo.
Le particelle fondamentali possono avere un momento angolare che punta in una certa direzione – una sorta di “rotazione”, rotazione o, come è più comunemente noto, uno spin.
E lo spin di una particella può essere manipolato da un campo magnetico. Questo principio è l’idea di base alla base della risonanza magnetica utilizzata negli ospedali, nei componenti spintronici e nei vari tipi di qubit utilizzati nel calcolo quantistico.
Una delle grandi difficoltà in tutte queste applicazioni è che un certo spin – o, più in generale, uno stato quantistico di una particella – è molto fragile, essendo perso da un minimo rumore o interferenza.
Un team di ricerca internazionale ha ora scoperto un effetto sorprendente che è particolarmente adatto per affrontare questo rumore ed elaborare le informazioni quantistiche in modo robusto: gli spin di atomi di fosforo inseriti in un wafer di silicio producono un’eco. E proprio come gli echi sonori, l’eco dello spin viene ripetuto in una serie che impiega molto tempo a svanire.
La differenza con l’eco del suono è che qui la cosa non si fa urlando, ma con impulsi di energia. Quando uno spin originale viene rinforzato con impulsi a microonde, produce un eco di spin che può essere rilevato dopo un certo tempo, con il segnale dell’impulso iniettato che viene emesso nuovamente come eco quantistica.
Ciò significa che i dati memorizzati nella particella diventano molto più robusti – se i dati vengono persi, saranno comunque impressi sugli echi – diminuendo il tasso di errore e migliorando l’efficienza del sistema.
Cos’è l’eco quantistico?
Gli echi quantistici non sono esattamente una novità, ma gli impulsi di energia che li generano raggiungono una molteplicità di atomi, che rispondono in tempi diversi, il che in pratica produce più un pasticcio di rotazioni mobili ed echi multipli che una situazione stabile.
Ciò che Stefan Weichselbaumer ei suoi colleghi dell’Università di Vienna hanno scoperto è che è possibile invertire questo apparente caos con l’aiuto di un altro impulso elettromagnetico: un impulso adatto può invertire la rotazione dello spin, facendo sì che tutti si coordinino di nuovo.
I componenti spintronici non consumano quasi nessuna energia, inoltre lo spin degli elettroni può attivare le micromacchine.
“Potete immaginare che sia un po ‘come correre una maratona”, ha illustrato il professor Stefan Rotter. “Al segnale di partenza, tutti i corridori sono ancora insieme. Poiché alcuni corridori sono più veloci di altri, il gruppo di corridori diventa sempre più grande nel tempo. Tuttavia, se tutti i corridori ricevessero il segnale di ritorno alla partenza, tutti i corridori tornerebbero alla partenza più o meno contemporaneamente, sebbene i corridori più veloci debbano coprire una distanza maggiore rispetto ai corridori più lenti ”.
L’eco quantistico rappresenta esattamente questo: un’eco di quando tutti gli spin erano inizialmente allineati. “Ciò che è notevole è che non siamo stati in grado di misurare solo un singolo eco, ma una serie di diversi echi”, ha detto Hans Hubl, un membro del team.
Informazioni quantistiche e test medici
Il team è stato anche in grado di identificare come sia possibile che questa eco quantistica possa far tornare tutti i corridori al punto di partenza come per magia. Ciò che accade è un forte accoppiamento tra gli spin ei fotoni del risonatore a microonde utilizzato per eccitarli. “Questo accoppiamento è l’essenza del nostro esperimento: è possibile memorizzare informazioni negli spin e, con l’aiuto dei fotoni a microonde nel risonatore, è possibile modificarli o leggerli”, ha spiegato Hubl.
La fisica dell’eco di spin è di grande importanza per le applicazioni tecniche e può migliorare gli esami di risonanza magnetica, ad esempio. Ma il team intende concentrare i propri sforzi sulle nuove possibilità offerte dall’eco multiplo, come l’elaborazione delle informazioni quantistiche. “Naturalmente, diversi echi in set di spin fortemente accoppiati ai fotoni di un risonatore sono uno strumento nuovo ed entusiasmante. Non solo troverà applicazioni utili nella tecnologia dell’informazione quantistica, ma anche nei metodi di spettroscopia basati sullo spin ”, ha affermato il professor Rudolf Gross.
