Открытие в управлении квантовым состоянием одиночных атомов

Исследователи из Центра квантовой нанонауки в Институте фундаментальных наук (IBS) сделали большой прорыв в управлении квантовыми свойствами одиночных атомов. В международном сотрудничестве с IBM Research в Калифорнии, используя передовые технологии, ученые определили, какие механизмы разрушают квантовые свойства отдельных атомов, манипулируя магнитным состоянием одного атома железа на тонком изоляторе.

Используя сканирующий туннельный микроскоп с атомарно острым металлическим наконечником, они смогли визуализировать отдельные атомы железа, измерить и контролировать время, в котором они сохраняют свое квантовое поведение.

Их результаты, опубликованные в журнале Science Advances, показывают, что потеря квантовой суперпозиции в основном вызвана соседними электронами, которые исследователи точно вводили в атом железа.

«Мы обнаружили, что почти каждый электрон разрушает квантовое состояние», — объясняет д-р Филип Вилл, автор исследования. «Кроме того, мы обнаружили, что близкие флуктуирующие* магниты имели такое же отрицательное воздействие. Хотя наши эксперименты целенаправленно уменьшали состояние суперпозиции, это также давало нам ценные сведения о том, как улучшить квантовые состояния атомов».

Андреас Хайнрих, директор Центра квантовой нанонауки IBS, сказал: «Понимание этих деструктивных взаимодействий позволяет избежать их в будущих экспериментах и ​​улучшить работу магнитных квантовых датчиков, которые в этом случае состоят только из одного атома».

Квантовая нанонаука опирается на использование свойств атомов и молекул для достижений квантового зондирования, что потенциально улучшает устройства, использующие такую ​​технологию, включая больничные МРТ-машины.

Квантовые компьютеры также могут извлечь выгоду из этого исследования. Уже в раннем развитии квантовые вычисления обещают превзойти классические компьютеры в таких задачах, как управление базами данных, поиск и оптимизация. Квантовая система может поддерживать одновременно два квантовых состояния — условие, известное как суперпозиция квантовых состояний. Однако, когда такая квантовая система взаимодействует в определенных средах — либо посредством желаемого, либо нежелательного контакта — эта суперпозиция состояний легко разрушается. Физики стремятся понять и контролировать эти процессы, что очень важно для будущих технологий.

*Флуктуа́ция (от лат. fluctuatio — колебание) — любое случайное отклонение какой-либо величины. В квантовой механике — отклонение от среднего значения случайной величины.

Больше информации: «Probing quantum coherence in single-atom electron spin resonance» Science Advances (2018). DOI: 10.1126/sciadv.aaq1543 , http://advances.sciencemag.org/content/4/2/eaaq1543