Ученые подслушивают беседу двух атомов

Атомы, конечно, особо не разговаривают. Но они могут чувствовать друг друга.

Это особенно верно для магнитных атомов. "Каждый атом несет небольшой магнитный момент, называемый спином. Эти вращения влияют друг на друга, как стрелки компаса, когда вы сводите их близко друг к другу. Если вы дадите одному из них толчок, они начнут двигаться вместе совершенно определенным образом », – объясняет Сандер Отте, руководитель группы, проводившей исследование. «Но согласно законам квантовой механики, каждый спин может одновременно указывать в разных направлениях, образуя суперпозицию. Это означает, что фактическая передача квантовой информации происходит между атомами, как какой-то разговор."

Острая игла
В больших масштабах такой обмен информацией между атомами может привести к увлекательным явлениям.

Классическим примером является сверхпроводимость: эффект, при котором некоторые материалы теряют все электрическое сопротивление ниже критической температуры. Хотя это хорошо известно для простейших случаев, никто точно не знает, как этот эффект возникает во многих сложных материалах. Но несомненно, что магнитные квантовые взаимодействия играют ключевую роль. Чтобы попытаться объяснить подобные явления, ученые очень заинтересованы в возможности перехвата этих обменов; подслушивать разговоры между атомами.

В команде Отте делают это прямо: они буквально ставят два атома рядом друг с другом, чтобы посмотреть, что происходит. Это возможно благодаря сканирующему туннельному микроскопу: устройству, в котором острая игла может исследовать атомы один за другим и даже переставлять их.

Исследователи использовали это устройство, чтобы разместить два атома титана на расстоянии чуть более одного нанометра – одной миллионной миллиметра – друг от друга. На таком расстоянии атомы просто чувствуют вращение друг друга.

Если вы сейчас крутите одно из двух вращений, разговор начнется сам собой.
Обычно этот поворот выполняется путем отправки очень точных радиосигналов атомам.

Этот метод так называемого спинового резонанса, который очень напоминает принцип работы сканера МРТ в больницах, успешно используется в исследованиях квантовых битов. Этот инструмент также доступен команде Делфта, но у него есть недостаток. «Это просто слишком медленно», – говорит аспирант Лукас Вельдман, ведущий автор публикации Science. "Едва вы начали крутить одно вращение, как другое начало вращаться вместе.

Таким образом, вы никогда не сможете исследовать, что происходит, когда два вращения вращаются в противоположных направлениях."
Неортодоксальный подход
Поэтому исследователи попробовали кое-что необычное: они быстро изменили спин одного из двух атомов с помощью внезапной вспышки электрического тока. К их удивлению, такой радикальный подход привел к прекрасному квантовому взаимодействию, как раз по книге.

Во время импульса электроны сталкиваются с атомом, заставляя его спин вращаться. Отте: «Но мы всегда предполагали, что во время этого процесса тонкая квантовая информация – так называемая когерентность – теряется. В конце концов, электроны некогерентны: история каждого электрона до столкновения немного отличается, и этот хаос передается спину атома, разрушая любую когерентность."

Тот факт, что сейчас это кажется неправдой, вызвал некоторые споры. По-видимому, каждый случайный электрон, независимо от его прошлого, может инициировать когерентную суперпозицию: определенную комбинацию элементарных квантовых состояний, которая полностью известна и которая составляет основу практически любой формы квантовой технологии.

Идеальная суперпозиция
«Суть в том, что все зависит от вопроса, который вы задаете», – утверждает Маркус Тернес, соавтор из RWTH Ахенского университета и Исследовательского центра Юлиха. "Электрон инвертирует спин одного атома, заставляя его указывать, скажем, влево. Вы можете рассматривать это как измерение, стирающее всю квантовую память. Но с точки зрения комбинированной системы, включающей оба атома, полученная ситуация вовсе не такая уж приземленная.

Для двух атомов вместе новое состояние представляет собой идеальную суперпозицию, позволяющую обмениваться информацией между ними. Для этого важно то, что оба спина запутываются: своеобразное квантовое состояние, в котором они обмениваются большей информацией друг о друге, чем это возможно с классической точки зрения."

Открытие может иметь важное значение для исследования квантовых битов. Возможно, также в этом исследовании вам удастся быть немного менее осторожным при инициализации квантовых состояний. Но для Отте и его команды это по большей части отправная точка еще более красивых экспериментов.

Вельдман: "здесь мы использовали два атома, но что происходит, когда вы используете три? Или десять, или тысяча?

Никто не может этого предсказать, поскольку вычислительные мощности не соответствуют таким цифрам. Возможно, однажды мы сможем слушать квантовые разговоры, которые раньше никто не слышал."

Пластиковые машины