Wenn die Spins von Phosphoratomen in Silizium mit Mikrowellen erregt werden, kann nach einer bestimmten Zeit ein Spinquantenechosignal erfasst werden.
Grundlegende Teilchen können ein Winkelmoment haben, das in eine bestimmte Richtung zeigt – eine Art „Spin“, Rotation oder, wie allgemein bekannt, ein Spin.
Und der Spin eines Teilchens kann durch ein Magnetfeld manipuliert werden. Dieses Prinzip ist die Grundidee der Magnetresonanztomographie in Krankenhäusern, spintronischen Komponenten und verschiedenen Arten von Qubits, die im Quantencomputer verwendet werden.
Eine der großen Schwierigkeiten bei all diesen Anwendungen besteht darin, dass ein bestimmter Spin – oder allgemeiner ein Quantenzustand eines Teilchens – sehr zerbrechlich ist und durch minimales Rauschen oder Interferenzen verloren geht.
Ein internationales Forscherteam hat nun einen überraschenden Effekt entdeckt, der besonders geeignet ist, um mit diesem Rauschen umzugehen und Quanteninformationen auf robuste Weise zu verarbeiten: Die Spins von Phosphoratomen, die in einen Siliziumwafer eingefügt sind, erzeugen ein Echo. Und genau wie bei Klangechos wiederholt sich das Echo des Spins in einer Reihe, deren Verblassen lange dauert.
Der Unterschied zum Klangecho besteht darin, dass hier nicht geschrien wird, sondern mit Energieimpulsen. Wenn ein ursprünglicher Spin mit Mikrowellenimpulsen verstärkt wird, erzeugt er ein Spinecho, das nach einer bestimmten Zeit erfasst werden kann, wobei das Signal des injizierten Impulses als Quantenecho erneut ausgegeben wird.
Dies bedeutet, dass die im Partikel gespeicherten Daten viel robuster werden – wenn die Daten verloren gehen, werden sie immer noch auf die Echos gestempelt – was die Fehlerrate verringert und die Effizienz des Systems verbessert.
Was ist Quantenecho?
Quantenechos sind nicht gerade eine Neuheit, aber die Energieimpulse, die sie erzeugen, erreichen eine Vielzahl von Atomen, die zu unterschiedlichen Zeiten reagieren, was in der Praxis eher zu einem Durcheinander von sich bewegenden Drehungen und mehreren Echos führt als zu einer stabilen Situation.
Stefan Weichselbaumer und seine Kollegen an der Universität Wien haben herausgefunden, dass es möglich ist, dieses scheinbare Chaos mit Hilfe eines anderen elektromagnetischen Impulses umzukehren – ein geeigneter Impuls kann die Spinrotation umkehren und alle wieder koordinieren.
Die spintronischen Komponenten verbrauchen fast keine Energie, außerdem kann der Elektronenspin Mikromaschinen auslösen.
“Sie können sich vorstellen, dass es ein bisschen wie ein Marathonlauf ist”, illustrierte Professor Stefan Rotter. „Beim Startsignal sind alle Läufer noch zusammen. Da einige Läufer schneller sind als andere, wird die Gruppe der Läufer mit der Zeit immer größer. Wenn jedoch alle Läufer das Signal erhalten würden, zum Start zurückzukehren, würden alle Läufer mehr oder weniger gleichzeitig zum Start zurückkehren, obwohl schnellere Läufer eine größere Strecke zurücklegen müssen als langsamere Läufer. “
Das Quantenecho repräsentiert genau das – ein Echo, als alle Drehungen ursprünglich ausgerichtet waren. “Bemerkenswert ist, dass wir nicht nur ein einziges Echo messen konnten, sondern eine Reihe von mehreren Echos”, sagte Hans Hubl, ein Teammitglied.
Quanteninformation und medizinische Tests
Das Team konnte auch feststellen, wie es möglich ist, dass dieses Quantenecho alle Läufer wie von Zauberhand zum Startpunkt zurückkehren lässt. Was auftritt, ist eine starke Kopplung zwischen den Spins und den Photonen des Mikrowellenresonators, mit denen sie erregt werden. „Diese Kopplung ist die Essenz unseres Experiments: Sie können Informationen in den Spins speichern und sie mithilfe der Mikrowellenphotonen im Resonator modifizieren oder lesen“, erklärte Hubl.
Die Physik des Spinechos ist für technische Anwendungen von großer Bedeutung und kann beispielsweise Untersuchungen zur Magnetresonanztomographie verbessern. Das Team beabsichtigt jedoch, seine Bemühungen auf die neuen Möglichkeiten zu konzentrieren, die das Mehrfachecho bietet, beispielsweise die Verarbeitung von Quanteninformationen. „Natürlich sind mehrere Echos in Spin-Sets, die stark an die Photonen eines Resonators gekoppelt sind, ein neues und aufregendes Werkzeug. Es wird nicht nur nützliche Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie finden, sondern auch in spinbasierten Spektroskopiemethoden “, sagte Professor Rudolf Gross.
