Un equipo de investigación de Garching y Viena descubrió un notable efecto de eco que ofrece nuevas y emocionantes posibilidades para trabajar con información cuántica.

Las partículas pequeñas pueden tener un momento angular que apunta en una determinada dirección:el giro. Este giro puede ser manipulado por un campo magnético. Este principio, por ejemplo, es la idea básica detrás de la resonancia magnética utilizada en los hospitales. Un equipo de investigación internacional ha descubierto ahora un efecto sorprendente en un sistema que es particularmente adecuado para procesar información cuántica:los giros de los átomos de fósforo en una pieza de silicio, acoplado a un resonador de microondas. Si estos giros se excitan inteligentemente con pulsos de microondas, una llamada señal de eco de espín se puede detectar después de un cierto tiempo; la señal de pulso inyectada se vuelve a emitir como un eco cuántico. Asombrosamente, este eco de espín no ocurre solo una vez, pero se puede detectar toda una serie de ecos. Esto abre nuevas posibilidades de cómo se puede procesar la información con sistemas cuánticos.

Los experimentos fueron llevados a cabo en el Instituto Walther-Meissner en Garching por investigadores de la Academia de Ciencias y Humanidades de Baviera y la Universidad Técnica de Munich. la explicación teórica se desarrolló en TU Wien (Viena). Ahora el trabajo conjunto se ha publicado en la revista Cartas de revisión física .

El eco de los giros cuánticos

"Los ecos de espín se conocen desde hace mucho tiempo, esto no es nada inusual, "dice el profesor Stefan Rotter de TU Wien (Viena). Primero, Se utiliza un campo magnético para asegurarse de que los espines de muchos átomos apunten en la misma dirección magnética. Luego, los átomos se irradian con un pulso electromagnético, y de repente sus giros comienzan a cambiar de dirección.

Sin embargo, los átomos están incrustados en entornos ligeramente diferentes. Por tanto, es posible que sobre sus espines actúen fuerzas ligeramente diferentes. "Como resultado, el giro no cambia a la misma velocidad para todos los átomos, "explica el Dr. Hans Hübl de la Academia de Ciencias y Humanidades de Baviera." Algunas partículas cambian su dirección de giro más rápido que otras, y pronto tendrás una mezcla salvaje de giros con orientaciones completamente diferentes ".

Pero es posible rebobinar este aparente caos con la ayuda de otro pulso electromagnético. Un pulso adecuado puede revertir la rotación de giro anterior para que todos los giros vuelvan a juntarse. "Puedes imaginar que es un poco como correr un maratón, "dice Stefan Rotter." A la señal de inicio, todos los corredores siguen juntos. Como algunos corredores son más rápidos que otros, el campo de los corredores se separa cada vez más con el tiempo. Sin embargo, si a todos los corredores se les diera la señal para volver a la salida, todos los corredores volverían a la salida aproximadamente al mismo tiempo, aunque los corredores más rápidos tienen que cubrir una distancia más larga que los más lentos ".

En el caso de los giros, esto significa que en un momento determinado todas las partículas tienen de nuevo exactamente la misma dirección de giro, y esto se denomina eco de giro. "Según nuestra experiencia en este campo, ya esperábamos poder medir un eco de espín en nuestros experimentos, ", dice Hans Hübl." Lo notable es que no solo pudimos medir un solo eco, sino una serie de varios ecos ".

El giro que se influye a sí mismo

En primer lugar, no estaba claro cómo se produce este efecto novedoso. Pero un análisis teórico detallado ahora hizo posible comprender el fenómeno:se debe al fuerte acoplamiento entre los dos componentes del experimento:los espines y los fotones en un resonador de microondas, un circuito eléctrico en el que las microondas solo pueden existir en determinadas longitudes de onda. "Este acoplamiento es la esencia de nuestro experimento:puede almacenar información en los giros, y con la ayuda de los fotones de microondas en el resonador puedes modificarlo o leerlo, "dice Hans Hübl.

El fuerte acoplamiento entre los espines atómicos y el resonador de microondas también es responsable de los múltiples ecos:si los espines de los átomos apuntan todos en la misma dirección en el primer eco, esto produce una señal electromagnética. "Gracias al acoplamiento al resonador de microondas, esta señal actúa sobre los giros, y esto lleva a otro eco, y así sucesivamente, "explica Stefan Rotter." Los propios giros provocan el pulso electromagnético, que es responsable del siguiente eco ".

La física del eco de espín tiene una gran importancia para las aplicaciones técnicas:es un principio básico importante detrás de las imágenes por resonancia magnética. Las nuevas posibilidades que ofrece el eco múltiple, como el procesamiento de información cuántica, ahora se examinará con más detalle. "Con seguridad, múltiples ecos en conjuntos de espín acoplados fuertemente a los fotones de un resonador son una nueva y emocionante herramienta. No solo encontrará aplicaciones útiles en la tecnología de la información cuántica, sino también en métodos de espectroscopia basados ​​en espines, "dice Rudolf Gross, coautor y director del Instituto Walther-Meissner.