Aproximació al control coherent d'un sistema quàntic de tres nivells

Per primera vegada, els investigadors van poder estudiar la interferència quàntica en un sistema quàntic de tres nivells i, per tant, controlar el comportament dels girs electrònics individuals. Amb aquesta finalitat, van utilitzar una nova nanoestructura en la qual un sistema quàntic s'integra en un oscil·lador mecànic a escala nanomètrica en forma de diamant.

El gir electró és una propietat mecànica quàntica fonamental. En el món quàntic, el spin electrònic descriu la direcció de rotació de l'electró al voltant del seu eix, que normalment pot ocupar dos anomenats eigenstates comunament denotats com "up" i "down". Les propietats quàntiques del spin ofereixen perspectives interessants per a les tecnologies futures, per exemple, en forma de sensors quàntics extremadament precisos.

Investigadors liderats pel professor Patrick Maletinsky i el candidat PhD Arne Barfuss de l'Institut Suís de Nanociència de la Universitat de Basilea han informat a Nature Physics un nou mètode per controlar el gir quàntic amb un sistema mecànic.

Per al seu estudi experimental, van combinar un sistema quàntic d'aquest tipus amb un oscil·lador mecànic. Més concretament, els investigadors van emprar electrons atrapats en els anomenats centres de vacants de nitrogen i van incrustar aquests girs en ressonadors mecànics de monocristalls de diamant.

Aquests girs de vacants de nitrogen són especials, ja que posseeixen no només dos, sinó tres eigenstates, que es poden qualificar de "up", "down" i "zero". Utilitzant l'acoblament especial d'un oscil·lador mecànic al spin, van mostrar per primera vegada el control quàntic complet sobre un sistema de tres nivells, d'una manera no possible abans.

En particular, l'oscil·lador els va permetre fer front a les tres possibles transicions en l'spin i estudiar com les vies d'excitació resultants interfereixen entre si. Aquest escenari, conegut com a "conducció de conductors tancats", mai no s'ha investigat abans, obre perspectives fonamentals i pràctiques interessants. Per exemple, la seva experiència permet una ruptura de la simetria de reversió temporal, cosa que significa que les propietats del sistema es veuen fonamentalment diferents si la inversió del sentit del temps és inversa. En aquest escenari, la fase de l'oscil·lador mecànic va determinar si el gir va circular en "sentit horitzontal" (direcció de rotació cap amunt, cap avall, zero, cap amunt) o "cap a l'esquerra".

Aquest concepte abstracte té conseqüències pràctiques per als estats quàntics fràgils. Similar a l'experiment conegut de Schrödinger's Cat, els girs poden existir simultàniament en una superposició de dos o tres dels estats electrònics disponibles durant un període determinat, l'anomenat temps de coherència quàntica.

Si els tres eigenstates estan acoblats entre si mitjançant la conducció de corrent tancada descoberta aquí, el temps de coherència es pot ampliar de manera significativa, tal com els investigadors van poder mostrar. En comparació amb els sistemes en què només es mouen dues de les tres possibles transicions, la coherència augmenta gairebé un centenar. Aquesta protecció de coherència és un element clau per a les futures tecnologies quàntiques i un altre resultat principal d'aquest treball.

Els resultats tenen un gran potencial per a futures aplicacions. És concebible que el sistema híbrid ressonador-spin es pugui utilitzar per a la mesura precisa de senyals temporals amb freqüències en el rang de gigahertz, per exemple, en la detecció quàntica o el processament d'informació quàntica. Per a les senyals que depenen del temps que surten d'objectes de nanoescala, aquestes tasques són actualment molt difícils d'abordar d'una altra manera. Aquí, la combinació de spin i un sistema oscil·lador podria ser útil, en particular a causa de la protecció demostrada de la coherència de l'spin.

Font: Universitat de Basilea