Istraživači sa Univerziteta Kornel su pokazali da se akustični zvučni talasi mogu koristiti za kontrolu kretanja elektrona dok orbitira oko defekta rešetke u dijamantu, tehnika koja potencijalno može poboljšati osetljivost kvantnih senzora i koristiti u drugim kvantnim uređajima.
Napredak u kvantnoj informacionoj tehnologiji zahteva pronalaženje novih načina za kontrolu elektrona i drugih mikroskopskih čestica. U članku pod naslovom „Koherentna akustična kontrola defektnih orbitalnih stanja u granici snažne vožnje“, Gregori Fuchs, profesor primenjene i inženjerske fizike, i njegov postdoktorski saradnik, Brendan McCullian, sarađivali su sa Erihom Milerom, profesorom fizike na Koledžu Umetnost i nauke, i njegov doktorant, Vaibhav Šarma, da osmisle okruženje gde zvučni talasi mogu pokretati „kvantne skokove“ između orbita elektrona.
Rad je objavljen u časopisu PRKS Quantum.
McCullian je napravio mikroskopski zvučnik na površini dijamantskog čipa, koji je radio na frekvenciji koja je tačno odgovarala elektronskom prelazu. Koristeći tehnike slične onima koje se koriste u magnetnoj rezonanciji, uspeo je da demonstrira koherentnu kontrolu jednog elektrona unutar dijamantskog čipa.
Kubiti — kvantni analog bitova koji se nalaze u klasičnom računaru — moraju ostati koherentni ili u stabilnom stanju, da bi uradili nešto korisno. Ova koherentnost je veoma krhka i lako se gubi usled fluktuacija okoline, kao što je kada obližnji elektron skoči sa jedne lokacije na drugu. Dugi niz godina naučnici su produžavali vreme koherentnosti kubita koristeći tehniku koja se zove spin rezonancija, koja koristi mikrotalase i magnetna polja da bi promenila ponašanje elektrona. Fuchs i njegova grupa pokušali su da prošire ovu tehniku na akustički domen i poboljšaju koherentnost orbitala.
„Mi smo akustički upravljali orbitalnim stanjem na način koji je donekle analogan spin rezonanciji, a zatim koristili uspostavljeni alat tehnika spin rezonancije da istražimo koherentnost tog orbitalnog stanja“, rekao je Fuchs. „Bilo nam je veoma interesantno da možemo da uradimo orbitalnu verziju spin rezonancije: uzmimo one alate koje znamo iz spin rezonancije – na primer, koherentnu kontrolu i Rabijeve oscilacije – i sa akustičnim rezonatorom od par gigaherca mapirati to na orbitalna stanja i videti da su te tehnike i dalje važeće.“
Fuchs-ov rad pomaže u unapređenju znanja o centru za prazninu azota (NV), defektu u dijamantskim kristalnim rešetkama koji je važan kubit za sensing i kvantno umrežavanje, i pomaže u razvoju novih alata za borbu protiv fluktuacija u okolini koje dovode do spektralne difuzije, što može uzrokovati veliki problemi u aplikacijama kvantnog umrežavanja koje se oslanjaju na stabilan optički prelaz gde je frekvencija svakog emitovanog fotona ista.
„Istražujući kako NV centar komunicira sa ovim izvorima buke i pronalazeći načine da modifikujemo tu interakciju koristeći alate koje obično rezervišemo za okretanje, otkrili smo način na koji možemo da ga nateramo da radi sa orbitalnim stanjima. To je važno dodatak nauci“, rekao je Fuchs. „Ovaj projekat je takođe bio primer načina na koji treba da funkcioniše saradnja između timova. Eksperimentalne tehnike su razvijene u mojoj laboratoriji, ali smo tada sarađivali sa grupom na Odeljenju za fiziku koja je pružila teorijsku analizu i pomogla nam da uokvirimo naša predviđanja i razumevanje rezultata“.
„Bila je to veoma vredna saradnja“, rekao je Miler. „Akustični talasi su uzbudili elektrone kroz mehanizam sličan onome kako se ‘pumpa’ na ljuljašci na igralištu. Kada su vibracije sinhronizovane sa kretanjem elektrona, oni mogu da im prenesu energiju. Zaista je neverovatno da se može kontrolisati kretanje elektrona sa onim što je u suštini zvučnik“.
