Управление квантовым состоянием нано-объекта впервые реализовано при помощи механической системы - «Наука и технологии»

Ученые из швейцарского Института нанотехнологий (Swiss Nanoscience Institute) и университета Базеля (University of Basel) при помощи резонаторов, изготовленных из монокристаллического алмаза, создали наноустройство, в котором квантовая система объединена с механической колебательной системой. Используя это устройство, ученые впервые в истории продемонстрировали, что механическая система может использоваться для управления квантовым состоянием (спином электронов) нанобъекта, включенного в резонатор, без использования внешних антенн или сложных микроэлектронных структур.

Во время предыдущих исследований научная группа, возглавляемая профессором Патриком Малетинским (Patrick Maletinsky), продемонстрировала в теории, что резонаторы, изготовленные из монокристаллического алмаза с искусственно созданными дефектами, в результате чего в их решетке присутствуют несвязанные электроны, позволяют манипулировать квантовым свойством этих электронов - направлением их вращения, спином. Искусственные дефекты в алмазе представляют собой атомы азота, включенные в решетку вместо атомов углерода. Оставшийся в месте такого дефекта свободный электрон находится в своего рода ловушке и представляет собой единичный квантовый объект.

Когда пластина резонатора начинает колебаться, в ее кристаллической структуре возникают переменные механические напряжения, влияющие на вращение свободных электронов. Эксперименты показали, что спин свободных электронов может принимать два значения "вверх" или "вниз", а измерение этого спина можно производить при помощи флуоресцентной спектроскопии.
Возбудителем колебаний алмазного резонатора был свет лазера определенной частоты и амплитуды. Оказалось, что во время колебаний резонатора спины свободных электронов колеблются также, но только с гораздо большей частотой. Установив необходимые параметры импульса лазерного света можно прервать колебания резонатора и колебания спина электронов в любой момент, точно зафиксировав всю квантовую систему в строго определенном квантовом состоянии. Более того, благодаря более высокой скорости колебаний спинов электронов, квантовая система практически не подвержена влиянию явления квантовой декогеренции, которое влияет на другие квантовые системы самым пагубным образом, заставляя спонтанно изменяться их квантовое состояние.

Такие алмазные квантовые резонаторы могут найти применение в высокочувствительных датчиках различных физических величин. Изменения некоторых из физических величин будут оказывать влияние на значение спина свободных электронов, что, в свою очередь, окажет влияние на колебания резонатора в целом. При этом, такие датчики будут весьма быстродействующими, время от изменения физического параметра до времени его регистрации датчиком будет составлять максимум 100 микросекунд. Кроме этого, исследователи рассматривают вариант использования азотных электронных вакансий в качестве квантовых битов, кубитов квантовых компьютеров, которые так или иначе, но обязательно появятся в далеком или не очень далеком будущем.