Дослідники Делфтського технологічного університету (Delft University of Technology, Нідерланди) продемонстрували, що ядерний спін окремого атома можна напряму перемикати за допомогою радіочастотних сигналів, які подаються через вістря скануючого тунельного мікроскопа. Результат експерименту виявився несподіваним: у квантовій фізиці укорінилося уявлення, що за слабкого зв'язку між ядерним та електронним спінами безпосередній вплив на ядро таким способом неможливий. Вчені не лише спростували це переконання, а й показали, що перемикання ядерного спіну зберігається навіть тоді, коли квантове заплутування між ним та електронним спіном практично зникає.
Як влаштовано експеримент
В основі установки лежав модифікований скануючий тунельний мікроскоп (STM), здатний спрямовувати електричні сигнали на єдиний атом, закріплений на поверхні під вістрям. Дослідники вдосконалили метод подвійного магнітного резонансу, який дозволяє незалежно впливати на два квантові об'єкти: спін електрона та спін ядра, розташованого в безпосередній близькості від нього. До цього ядерний спін вивчали переважно опосередковано — через надтонку взаємодію, що пов'язує його з електронним спіном і призводить до часткового квантового заплутування відповідних станів. Пряме керування ядерним спіном без опори на цю взаємодію, за загальноприйнятними уявленнями, вимагало б енергії та точності, недосяжних для стандартних експериментальних установок.
Два сигнали одночасно
Ключовим кроком стало одночасне подавання двох радіочастотних сигналів: перший відповідав резонансній частоті перемикання електронного спіну, другий — ядерного. Характерні частоти ядерного спіну при цьому виявилися у 100–1000 разів нижчими за частоти електронного, що само по собі робить експеримент технічно складним. Тим не менш, вченим вдалося зафіксувати, що орієнтація ядерного спіну перемикається навіть у тих конфігураціях, де зв'язок з електронним спіном ослаблений настільки, що стани значною мірою перестають бути заплутаними. Саме це спостереження і стало головним результатом роботи: ядро реагує на електричні сигнали мікроскопа всупереч очікуванням, заснованим на моделі слабкої надтонкої взаємодії.
Теоретичне питання залишається відкритим
Чому ядро все ж відгукується на зовнішній вплив за такого слабкого зв'язку з електроном — питання, на яке експериментатори поки не готові відповісти. Теоретичне пояснення механізму, що дозволяє радіочастотному сигналу «дістати» до ядерного спіну без посередництва електронного, стане завданням для теоретиків у найближчі місяці. За словами дослідників, для повноцінної інтерпретації результатів потрібен час: потрібно як уточнення експериментальної моделі, так і перегляд укорінених уявлень про межі керованості ядерних спінових станів на рівні окремого атома.
Значення для квантових технологій
Практичну цінність виявленого явища важко переоцінити для розвитку квантових обчислень та квантової пам'яті. Ядерні спіни суттєво менш чутливі до флуктуацій навколишнього середовища, ніж електронні: вони довше зберігають когерентність і менше піддаються декогеренції. Це означає, що запис квантової інформації на ядерні спіни буде надійнішим, а час зберігання — довшим. Крім того, кубіти на базі ядерних спінових станів потенційно дозволяють знизити рівень помилок у квантових обчисленнях, що є однією з головних перешкод на шляху до створення масштабованих квантових процесорів. Однак перш ніж переходити від фундаментального експерименту до інженерних прототипів, необхідно розібратися у фізиці спостережуваного ефекту — і, за оцінками самих дослідників, на це знадобиться час.
