Průlom v kvantové komunikaci: Vědci poprvé propojili zvuk s atomovým spinem

Vědci z Harvardovy John A. Paulsonovy školy inženýrství a aplikovaných věd (SEAS) dosáhli významného průlomu v oblasti kvantových technologií. Poprvé v historii se jim podařilo demonstrovat interakci jediného kvanta vibrační energie, takzvaného fononu, s jediným atomovým spinem.

Vědci z Harvardovy John A. Paulsonovy školy inženýrství a aplikovaných věd (SEAS) dosáhli významného průlomu v oblasti kvantových technologií. Poprvé v historii se jim podařilo demonstrovat interakci jediného kvanta vibrační energie, takzvaného fononu, s jediným atomovým spinem. Tento objev otevírá zcela novou cestu k vývoji kvantových technologií, které by namísto světla nebo elektřiny využívaly zvuk jako nosič informací.

Tým pod vedením Marka Lončara, profesora elektrotechniky, navrhl mechanický rezonátor v nanometrovém měřítku kolem jediného spinového qubitu s barevným centrem v diamantu. Tato barevná centra, což jsou atomové defekty v krystalové struktuře diamantu, fungují jako kvantová paměť schopná uchovávat kvantové informace. Nový systém vědců dokáže hostit dostatečně silné interakce mezi spinem a fononem pro ukládání kvantových informací, což bylo dosud klíčovou výzvou v oboru.

Fonon, nejmenší možná jednotka zvuku, se ukázal být překvapivě účinným. Zatímco k pohybu našich ušních bubínků je zapotřebí nespočet fononů, kvantové qubity jsou mnohem citlivější – jediný fonon může stačit ke změně jejich kvantového stavu. Mechanické vibrace, podobně jako struna kytary, mohou „znít“ po dlouhou dobu a přitom zabírat mnohem menší objem než srovnatelná elektromagnetická dutina stejné frekvence. Tato kombinace dlouhé životnosti a kompaktní velikosti činí fonony obzvláště slibnými jako nosiče kvantových informací nebo jako propojovací prvky, které by v budoucnu mohly spojovat kompaktní kvantové paměti, procesory a senzory na kvantových čipech.

Mnoho kvantových systémů, včetně supravodivých qubitů, kvantových teček nebo defektů v pevných látkách, je známo silnou interakcí s fonony. Kvantová akustika tak slibuje roli jakéhosi „univerzálního kvantového sběrnice“, která by mohla propojit různorodé kvantové systémy do hybridních systémů. Když jediný fonon dokáže změnit stav atomového qubitu, spin zároveň funguje jako mimořádně citlivá sonda svého mechanického prostředí. To by mohlo vést k využití spinu pro měření velmi malých sil, napětí nebo změn teploty, a to „nasloucháním“ kvantovému šumu zařízení, což by otevřelo cestu k přesnému snímání a dalším aplikacím.

Výsledky experimentu naznačují novou úroveň kontroly nad kvantovými defekty v pevných látkách a posouvají spin-mechanické interakce blíže k prahu plné kvantové koherence, tedy schopnosti jinak křehkého kvantového systému zůstat stabilním. Tento experiment představuje nejen přesvědčivou demonstraci nových nástrojů pro snímání prostředí jediného atomu, ale také významný krok směrem k praktickým kvantovým akustickým zařízením.