Nouvelles possibilités pour travailler avec des informations quantiques –

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  • Les petites particules peuvent avoir un moment cinétique qui pointe dans une certaine direction – le spin. Ce spin peut être manipulé par un champ magnétique. Ce principe, par exemple, est l’idée de base de l’imagerie par résonance magnétique utilisée dans les hôpitaux. Une équipe de recherche internationale vient de découvrir un effet surprenant dans un système particulièrement bien adapté au traitement de l’information quantique: les spins d’atomes de phosphore dans un morceau de silicium, couplés à un résonateur hyperfréquence. Si ces spins sont intelligemment excités avec des impulsions micro-ondes, un signal dit d’écho de spin peut être détecté après un certain temps – le signal d’impulsion injecté est réémis sous forme d’écho quantique. De manière surprenante, cet écho de spin ne se produit pas qu’une seule fois, mais toute une série d’échos peut être détectée. Cela ouvre de nouvelles possibilités de traitement des informations avec des systèmes quantiques.

    Les expériences ont été menées au Walther-Meissner-Institute de Garching par des chercheurs de l’Académie bavaroise des sciences et des sciences humaines et de l’Université technique de Munich, l’explication théorique a été développée à TU Wien (Vienne). Maintenant, le travail conjoint a été publié dans la revue Lettres d’examen physique.

    L’écho des spins quantiques

    «Les échos de spin sont connus depuis longtemps, ce n’est pas inhabituel», déclare le professeur Stefan Rotter de la TU Wien (Vienne). Tout d’abord, un champ magnétique est utilisé pour s’assurer que les spins de nombreux atomes pointent dans la même direction magnétique. Ensuite, les atomes sont irradiés avec une impulsion électromagnétique, et soudainement leurs spins commencent à changer de direction.

    Cependant, les atomes sont intégrés dans des environnements légèrement différents. Il est donc possible que des forces légèrement différentes agissent sur leurs spins. «En conséquence, le spin ne change pas à la même vitesse pour tous les atomes», explique le Dr Hans Hübl de l’Académie bavaroise des sciences et des sciences humaines. “Certaines particules changent de direction de rotation plus rapidement que d’autres, et bientôt vous avez un fouillis sauvage de spins avec des orientations complètement différentes.”

    Mais il est possible de rembobiner ce chaos apparent – à l’aide d’une autre impulsion électromagnétique. Une impulsion appropriée peut inverser la rotation de rotation précédente de sorte que les rotations se rejoignent toutes. «Vous pouvez imaginer que c’est un peu comme courir un marathon», déclare Stefan Rotter. “Au signal de départ, tous les coureurs sont toujours ensemble. Comme certains coureurs sont plus rapides que d’autres, le peloton des coureurs est de plus en plus éloigné au fil du temps. Cependant, si tous les coureurs ont maintenant reçu le signal de revenir au départ, tous les coureurs reviendraient au départ à peu près au même moment, bien que les coureurs plus rapides doivent couvrir une distance plus longue que les plus lents. “

    Dans le cas des spins, cela signifie qu’à un certain moment, toutes les particules ont à nouveau exactement la même direction de rotation – et c’est ce qu’on appelle «l’écho de spin». «Sur la base de notre expérience dans ce domaine, nous nous attendions déjà à pouvoir mesurer un écho de spin dans nos expériences», explique Hans Hübl. “Ce qui est remarquable, c’est que nous n’avons pas seulement pu mesurer un seul écho, mais une série de plusieurs échos.”

    Le spin qui s’influence

    Au début, on ne savait pas comment ce nouvel effet se produisait. Mais une analyse théorique détaillée a maintenant permis de comprendre le phénomène: il est dû au fort couplage entre les deux composants de l’expérience – les spins et les photons dans un résonateur hyperfréquence, circuit électrique dans lequel les micro-ondes ne peuvent exister qu’à certaines longueurs d’onde. «Ce couplage est l’essence même de notre expérience: vous pouvez stocker des informations dans les spins, et à l’aide des photons micro-ondes dans le résonateur, vous pouvez les modifier ou les lire», explique Hans Hübl.

    Le fort couplage entre les spins atomiques et le résonateur hyperfréquence est également responsable des échos multiples: si les spins des atomes pointent tous dans la même direction dans le premier écho, cela produit un signal électromagnétique. «Grâce au couplage au résonateur hyperfréquence, ce signal agit en retour sur les spins, ce qui conduit à un autre écho – et ainsi de suite», explique Stefan Rotter. “Les spins eux-mêmes provoquent l’impulsion électromagnétique, qui est responsable de l’écho suivant.”

    La physique de l’écho de spin a une grande importance pour les applications techniques – c’est un principe de base important derrière l’imagerie par résonance magnétique. Les nouvelles possibilités offertes par l’écho multiple, comme le traitement de l’information quantique, seront maintenant examinées plus en détail. «Certes, les échos multiples dans des ensembles de spin couplés fortement aux photons d’un résonateur sont un nouvel outil passionnant. Il trouvera non seulement des applications utiles dans la technologie de l’information quantique, mais aussi dans les méthodes de spectroscopie basées sur le spin», déclare Rudolf Gross, co -auteur et directeur du Walther-Meissner-Institute.

    Source de l’histoire:

    Matériaux fourni par Université de technologie de Vienne. Original écrit par Florian Aigner. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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