Исследователи Делфтского технологического университета (Delft University of Technology, Нидерланды) продемонстрировали, что ядерный спин отдельного атома можно напрямую переключать с помощью радиочастотных сигналов, подаваемых через остриё сканирующего туннельного микроскопа. Результат эксперимента оказался неожиданным: в квантовой физике устоялось представление, что при слабой связи между ядерным и электронным спинами непосредственное воздействие на ядро таким способом невозможно. Учёные не только опровергли это убеждение, но и показали, что переключение ядерного спина сохраняется даже тогда, когда квантовое запутывание между ним и электронным спином практически исчезает.
Как устроен эксперимент
В основе установки лежал модифицированный сканирующий туннельный микроскоп (STM), способный направлять электрические сигналы на единственный атом, закреплённый на поверхности под остриём. Исследователи усовершенствовали метод двойного магнитного резонанса, который позволяет независимо воздействовать на два квантовых объекта: спин электрона и спин ядра, расположенного в непосредственной близости от него. До этого ядерный спин изучали преимущественно косвенно — через сверхтонкое взаимодействие, связывающее его с электронным спином и приводящее к частичному квантовому запутыванию соответствующих состояний. Прямое управление ядерным спином без опоры на это взаимодействие, по общепринятым представлениям, требовало бы энергии и точности, недостижимых для стандартных экспериментальных установок.
Два сигнала одновременно
Ключевым шагом стало одновременное подавление двух радиочастотных сигналов: первый соответствовал резонансной частоте переключения электронного спина, второй — ядерного. Характерные частоты ядерного спина при этом оказались в 100–1000 раз ниже частот электронного, что само по себе делает эксперимент технически сложным. Тем не менее учёным удалось зафиксировать, что ориентация ядерного спина переключается даже в тех конфигурациях, где связь с электронным спином ослаблена настолько, что состояния в значительной степени перестают быть запутанными. Именно это наблюдение и стало главным результатом работы: ядро реагирует на электрические сигналы микроскопа вопреки ожиданиям, основанным на модели слабого сверхтонкого взаимодействия.
Теоретический вопрос остаётся открытым
Почему ядро всё же откликается на внешнее воздействие при столь слабой связи с электроном — вопрос, на который экспериментаторы пока не готовы ответить. Теоретическое объяснение механизма, позволяющего радиочастотному сигналу «достать» до ядерного спина без посредничества электронного, станет задачей для теоретиков в ближайшие месяцы. По словам исследователей, для полноценной интерпретации результатов необходимо время: требуется как уточнение экспериментальной модели, так и пересмотр устоявшихся представлений о границах управляемости ядерных спиновых состояний на уровне одиночного атома.
Значение для квантовых технологий
Практическая ценность обнаруженного явления трудно переоценить для развития квантовых вычислений и квантовой памяти. Ядерные спины существенно менее чувствительны к флуктуациям окружающей среды, чем электронные: они дольше сохраняют когерентность и меньше подвержены декогеренции. Это означает, что запись квантовой информации на ядерные спины будет надёжнее, а время хранения — дольше. Кроме того, кубиты на базе ядерных спиновых состояний потенциально позволяют снизить уровень ошибок в квантовых вычислениях, что является одним из главных препятствий на пути к созданию масштабируемых квантовых процессоров. Однако прежде чем переходить от фундаментального эксперимента к инженерным прототипам, необходимо разобраться в физике наблюдаемого эффекта — и, по оценкам самих исследователей, на это потребуется время.
