Oamenii de știință aud vorbind despre doi atomi: interacțiunile cuantice magnetice

Impresia artistului experimentului, în care o pulbere electrică este aplicată unui atom de titan. Drept urmare, momentul său magnetic se rotește brusc. Un atom de titan vecin (dreapta) reacționează la această mișcare, dar nu poate urma ritmul mișcării rapide. Ca atare, începe un schimb de informații cuantice magnetice între atomi. Credit: TU Delft / Scixel

Comportamentul materialelor depinde de interacțiunile dintre nenumărați atomi. Ar putea fi văzut ca o discuție gigantică de grup în care atomii schimbă în mod continuu informații cuantice. Cercetătorii de la Universitatea de Tehnologie Delft, în colaborare cu Universitatea RWTH Aachen și Centrul de Cercetare Jülich, au reușit acum să intercepteze o conversație între doi atomi. Ei prezintă concluziile lor a Ştiinţă la 28 mai 2021.

Desigur, atomii nu vorbesc cu adevărat. Dar se pot simți reciproc. Acesta este în special cazul atomilor magnetici. “Toata lumea atom poartă un mic moment magnetic numit spin. Aceste răsuciri se influențează reciproc, la fel ca acele busolei atunci când le puneți împreună. Dacă îi dați pe unul dintre ei o împingere, vor începe să se deplaseze împreună într-un mod foarte specific ”, explică Sander Otte, liderul echipei care a efectuat cercetarea. “Dar conform legilor mecanicii cuantice, fiecare cotitură poate indica simultan în mai multe direcții, formând o suprapunere. Aceasta înseamnă că transferul efectiv de informații cuantice are loc între atomi, ca un fel de conversație”.

Ac ascuțit

La scară largă, acest tip de schimb de informații între atomi poate duce la fenomene fascinante. Un exemplu clasic este supraconductivitatea: efectul în care unele materiale pierd toată rezistivitatea electrică sub o temperatură critică. Deși bine înțeles pentru cele mai simple cazuri, nimeni nu știe exact cum se produce acest efect în multe materiale complexe. Dar este sigur că interacțiunile cuantice magnetice joacă un rol cheie. Pentru a explica astfel de fenomene, oamenii de știință sunt foarte interesați să poată intercepta aceste schimburi; pentru a asculta conversațiile dintre atomi.

În echipa lui Otte o fac direct: literalmente pun doi atomi unul lângă celălalt pentru a vedea ce se întâmplă. Acest lucru este posibil datorită unui microscop de scanare cu tunel – un dispozitiv în care un ac ascuțit poate sonda atomii unul câte unul și chiar le poate rearanja. Cercetătorii au folosit acest dispozitiv pentru a plasa doi atomi de titan la o distanță de puțin peste un nanometru, o miime de milimetru. La această distanță, atomii sunt capabili să simtă rotația celuilalt. Dacă aș răsuci acum una dintre cele două ture, conversația ar începe de la sine.

Această rotație se face de obicei prin trimiterea de semnale radio foarte precise către atomi. Această tehnică numită rezonanță de rotație, care amintește destul de mult de principiul de lucru al unui scaner de rezonanță magnetică găsit în spitale, este utilizată cu succes în cercetarea cuantică a biților. Acest instrument este disponibil și pentru echipa Delft, dar are un dezavantaj. „Este prea lent”, spune Lukas Veldman, doctorand și autor principal Ştiinţă publicare. „Tocmai ai început să te rotești înainte ca celălalt să se învârtă. În acest fel, nu poți investiga niciodată ce se întâmplă atunci când cele două viraje sunt plasate în direcții opuse. “

Abordare neortodoxă

Așadar, cercetătorii au încercat ceva neortodox: au inversat rapid rotația unuia dintre cei doi atomi cu o explozie bruscă de curent electric. Spre surprinderea sa, această abordare drastică a dus la o interacțiune cuantică frumoasă, exact pentru carte. În timpul pulsului, electronii se ciocnesc cu atomul, provocând rotirea acestuia. Otte: „Dar am presupus întotdeauna că în timpul acestui proces informațiile cuantice delicate (așa-numita coerență) s-au pierdut. La urma urmei, electronii sunt incoerenți: istoria fiecărui electron înainte de coliziune este ușor diferită și acest haos este transferat la rotirea atomului, distrugând orice coerență.

Faptul că acum pare neadevărat a fost o chestiune de dezbatere. Aparent, fiecare electron aleatoriu, indiferent de trecutul său, poate iniția o suprapunere coerentă: o combinație specifică de stări cuantice elementare care este pe deplin cunoscută și care stă la baza aproape oricărei forme de tehnologie cuantică.

Suprapunere perfectă

„Concluzia este că depinde de întrebarea pe care o puneți”, susține Markus Ternes, co-autor al Universității RWTH Aachen și al Centrului de Cercetare Jülich. „Electronul inversează rotația unui atom făcându-l să indice, de exemplu, spre stânga. Ai putea vedea asta ca pe o măsură, ștergând toată memoria cuantică. Dar, din punctul de vedere al sistemului combinat care cuprinde ambii atomi, situația rezultată nu este deloc cotidiană. Pentru cei doi atomi împreună, noul stat constituie o suprapunere perfectă, care permite schimbul de informații între ei. Ceea ce este crucial este ca ambele rotații să se încurce: o stare cuantică particulară în care împărtășesc mai multe informații unele despre altele decât este posibil în mod clasic.

Descoperirea poate fi importantă pentru cercetarea cuantică a biților. Poate că și în această cercetare ați putea fugi cu puțin mai puțin prudență atunci când inițializați stările cuantice. Dar pentru Otte și echipa sa este mai presus de toate punctul de plecare pentru experimente și mai frumoase. Veldman: „Am folosit doi atomi aici, dar ce se întâmplă când faci trei? Zece, mii? Nimeni nu o poate prezice, întrucât puterea de calcul scade pentru acest număr. Poate că într-o zi vom putea auzi conversații cuantice pe care nimeni nu le-a mai auzit vreodată. ”

Referință: 28 mai 2021, Ştiinţă.

Finanțare: Dutch Research Council (NWO), grant VICI

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.