Une équipe de recherche de Garching et de Vienne a découvert un effet d'écho remarquable qui offre de nouvelles possibilités passionnantes pour travailler avec l'information quantique.

Les petites particules peuvent avoir un moment angulaire qui pointe dans une certaine direction :le spin. Ce spin peut être manipulé par un champ magnétique. Ce principe, par exemple, est l'idée de base derrière l'imagerie par résonance magnétique telle qu'elle est utilisée dans les hôpitaux. Une équipe de recherche internationale vient de découvrir un effet surprenant dans un système particulièrement bien adapté au traitement de l'information quantique :les spins d'atomes de phosphore dans un morceau de silicium, couplé à un résonateur hyperfréquence. Si ces spins sont intelligemment excités par des impulsions micro-ondes, un signal dit d'écho de spin peut être détecté après un certain temps - le signal d'impulsion injecté est réémis sous forme d'écho quantique. Étonnamment, cet écho de spin ne se produit pas qu'une seule fois, mais toute une série d'échos peut être détectée. Cela ouvre de nouvelles possibilités sur la façon dont l'information peut être traitée avec les systèmes quantiques.

Les expériences ont été menées à l'Institut Walther-Meissner de Garching par des chercheurs de l'Académie bavaroise des sciences et des sciences humaines et de l'Université technique de Munich, l'explication théorique a été développée à la TU Wien (Vienne). Maintenant, le travail commun a été publié dans la revue Lettres d'examen physique .

L'écho des spins quantiques

"Les échos de spin sont connus depuis longtemps, cela n'a rien d'inhabituel, " déclare le professeur Stefan Rotter de la TU Wien (Vienne). Premièrement, un champ magnétique est utilisé pour s'assurer que les spins de nombreux atomes pointent dans la même direction magnétique. Ensuite, les atomes sont irradiés avec une impulsion électromagnétique, et soudainement leurs tours commencent à changer de direction.

Cependant, les atomes sont intégrés dans des environnements légèrement différents. Il est donc possible que des forces légèrement différentes agissent sur leurs spins. "Par conséquent, le spin ne change pas à la même vitesse pour tous les atomes, " explique le Dr Hans Hübl de l'Académie bavaroise des sciences et des sciences humaines. " Certaines particules changent de direction de spin plus rapidement que d'autres, et bientôt vous avez un fouillis sauvage de tours avec des orientations complètement différentes."

Mais il est possible de rembobiner ce chaos apparent à l'aide d'une autre impulsion électromagnétique. Une impulsion appropriée peut inverser la rotation de rotation précédente de sorte que les rotations se rejoignent à nouveau. "Vous pouvez imaginer que c'est un peu comme courir un marathon, " dit Stefan Rotter. " Au signal de départ, tous les coureurs sont toujours ensemble. Comme certains coureurs sont plus rapides que d'autres, le champ des coureurs est de plus en plus éloigné au fil du temps. Cependant, si tous les coureurs recevaient maintenant le signal de revenir au départ, tous les coureurs reviendraient au départ à peu près au même moment, bien que les coureurs plus rapides doivent couvrir une distance plus longue que les plus lents."

Dans le cas des tours, cela signifie qu'à un certain moment, toutes les particules ont à nouveau exactement la même direction de spin - et c'est ce qu'on appelle l'écho de spin. « Fort de notre expérience dans ce domaine, nous nous attendions déjà à pouvoir mesurer un écho de spin dans nos expériences, " dit Hans Hübl. " Ce qui est remarquable, c'est que nous n'avons pas seulement pu mesurer un seul écho, mais une série de plusieurs échos."

Le spin qui s'influence

En premier, on ne savait pas comment ce nouvel effet se produit. Mais une analyse théorique détaillée a maintenant permis de comprendre le phénomène :il est dû au couplage fort entre les deux composantes de l'expérience - les spins et les photons dans un résonateur micro-onde, un circuit électrique dans lequel les micro-ondes ne peuvent exister qu'à certaines longueurs d'onde. "Ce couplage est l'essence de notre expérience :vous pouvez stocker des informations dans les spins, et avec l'aide des photons micro-ondes dans le résonateur, vous pouvez le modifier ou le lire, " dit Hans Hübl.

Le fort couplage entre les spins atomiques et le résonateur hyperfréquence est également responsable des échos multiples :Si les spins des atomes pointent tous dans la même direction dans le premier écho, cela produit un signal électromagnétique. "Grâce au couplage au résonateur hyperfréquence, ce signal agit en retour sur les spins, et cela conduit à un autre écho - et ainsi de suite, " explique Stefan Rotter. " Les spins eux-mêmes provoquent l'impulsion électromagnétique, qui est responsable du prochain écho."

La physique de l'écho de spin a une grande importance pour les applications techniques - c'est un principe de base important derrière l'imagerie par résonance magnétique. Les nouvelles possibilités offertes par l'écho multiple, tels que le traitement de l'information quantique, va maintenant être examiné plus en détail. "Avec certitude, les échos multiples dans des ensembles de spins fortement couplés aux photons d'un résonateur sont un nouvel outil passionnant. Il ne trouvera pas seulement des applications utiles dans les technologies de l'information quantique, mais aussi dans les méthodes de spectroscopie de spin, " dit Rudolf Gross, co-auteur et directeur du Walther-Meissner-Institute.