Fizycy z Uniwersytetu w Regensburgu znaleźli sposób na manipulowanie stanem kwantowym poszczególnych elektronów za pomocą mikroskopu o rozdzielczości atomowej. Wyniki badania opublikowano w renomowanym czasopiśmie Nature. Będzie to miało potencjalnie ogromne implikacje dla obliczeń kwantowych.
Jak wiadomo, otaczający nas świat składa się z cząsteczek. Cząsteczki są tak małe, że nawet pyłek kurzu zawiera ich niezliczoną ilość. Jest to tym bardziej zaskakujące, że obecnie za pomocą mikroskopu można z dużą precyzją badać nie tylko cząsteczki, ale nawet atomy, z których się składają. Najnowszy wynalazek fizyków nazywany jest „mikroskopem sił atomowych”. W przeciwieństwie do mikroskopu optycznego, mikroskop sił atomowych działa na innej zasadzie: jego działanie opiera się na czułości najmniejszych sił występujących pomiędzy końcówką urządzenia a badaną cząsteczką. Dzięki takiemu podejściu do badań możliwe jest uzyskanie „obrazu” wewnętrznej struktury cząsteczki. Obserwując jednak w ten sposób cząsteczkę, nie można z całą pewnością stwierdzić, że metoda ta pozwala poznać wszystkie jej właściwości. Na przykład obecnie bardzo trudno jest określić, z jakich atomów składa się cząsteczka.
Na szczęście istnieją inne narzędzia, które pozwalają określić skład cząsteczek. Jedną z takich metod jest elektronowy rezonans spinowy, który opiera się na tych samych zasadach, co rezonans magnetyczny w medycynie. Jednakże w przypadku rezonansu spinowego elektronów zazwyczaj wymagana jest niezliczona liczba cząsteczek, aby wytworzyć sygnał wystarczająco silny, aby można go było wykryć. Zatem nie można uzyskać dostępu do właściwości każdej cząsteczki, a jedynie do ich średniej wartości.
Naukowcy z Uniwersytetu w Regensburgu, kierowani przez profesora dr Jaschę Reppa z Instytutu Fizyki Doświadczalnej i Stosowanej, zintegrowali obecnie elektronowy rezonans spinowy z mikroskopią sił atomowych. Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że rezonans spinowy elektronu rejestrowany jest bezpośrednio za pomocą końcówki mikroskopu, dzięki czemu sygnał pochodzi tylko z jednej pojedynczej cząsteczki. W ten sposób naukowcy mogą scharakteryzować poszczególne cząsteczki. Umożliwiło to natychmiastowe określenie, które atomy tworzą badaną cząsteczkę. „Udało nam się nawet rozróżnić cząsteczki, które różnią się nie rodzajem atomów, z których są zbudowane, ale jedynie izotopami, czyli składem jąder atomowych” – dodaje Lisanne Sellies, pierwsza autorka tego badania.
„Jednak jeszcze bardziej zaintrygowała nas inna możliwość, czyli rezonans spinowy elektronu” – wyjaśnia profesor Repp. „Technikę tę można zastosować do kontrolowania stanu spinowo-kwantowego elektronów obecnych w cząsteczce”. Pokazano to na rysunku za pomocą małych kolorowych strzałek. Ale dlaczego to jest interesujące?
Komputery kwantowe przechowują i przetwarzają informacje zakodowane w stanie kwantowym. Aby wykonać obliczenia, komputery kwantowe muszą manipulować stanem kwantowym bez utraty informacji w wyniku zjawiska zwanego dekoherencją. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że dekoherencja to proces rozerwania samej koherencji (połączenia pomiędzy dwiema cząstkami splątanymi kwantowo), spowodowany oddziaływaniem układu mechaniki kwantowej z otoczeniem w procesie nieodwracalnym z punktu widzenia termodynamiki .
Naukowcy z Regensburga wykazali, że dzięki nowej technice mogą wielokrotnie manipulować stanem kwantowym spinu pojedynczej cząsteczki, zanim stan ten ulegnie zanikowi. Ponieważ mikroskopia może obrazować określone sąsiedztwa cząsteczki, nowa technika może pomóc w zrozumieniu, w jaki sposób dekoherencja w komputerze kwantowym zależy od środowiska atomowego, a ostatecznie w jaki sposób można jej uniknąć. To jest droga do prostszych i dokładniejszych obliczeń kwantowych.