Przesunąć granice kwantowej kontroli światła i materii w kierunku zastosowań praktycznych
Systemy mechaniki kwantowej przejawiają wyjątkowe cechy, których nie da się zaobserwować w systemach podlegających mechanice klasycznej. W ostatnich latach pojawiły się systematyczne metody umożliwiające manipulowanie i zadawanie pytań takim mikroskopijnym systemom, które mogą znaleźć zastosowanie między innymi w komputerach kwantowych czy rozwiązaniach biologicznych. O ile jednak kontrolowanie małych systemów kwantowych zostało dokładnie zbadane, to kontrolowanie większych systemów nadal pozostaje bardzo trudnym wyzwaniem. W ramach projektu QUANTUM CONTROL (Tailoring decoherence for controlling spin systems: Deepening foundations; expanding applications), finansowanego ze środków UE, naukowcy wykorzystali spinowy symulator kwantowy do zbadania rozprzestrzeniania się informacji w stosunkowo dużych systemach. Do zbadania dużych systemów kwantowych wykorzystano połączenie symulacji kwantowych z magnetycznym rezonansem jądrowym (NMR). Dokładniej mówiąc, naukowcy badali propagację informacji w systemach ciała stałego z dwubiegunowymi interakcjami. Uczeni wykazali, w jaki sposób zaburzenia sprzęgań dwubiegunowych ograniczają rozprzestrzenianie się informacji oraz że w celu kontrolowanego stworzenia dużych stanów kwantowych potrzebne jest osłabienie wszelkich zaburzeń poniżej pewnego progu. Dopiero poniżej tego progu obserwowany system kwantowy może swobodnie rozszerzać się w przestrzeni. Kolejnym krokiem było opracowanie metod polaryzacji spinów jądrowych z elektronów swobodnych. Te innowacyjne podejścia ukierunkowane na diamenty z centrami azot-wakancja, są kompatybilne z szerokim zakresem sił i orientacji pola magnetycznego. Efektywny transfer wyrównania spinów wzmacnia sygnał emitowany przez jądra atomów, otwierając drogę do wykorzystania proszków diamentowych w analizach opartych na NMR. Sekwencje spin-echo przyciągnęły uwagę naukowców jako przydatne narzędzie do sprzęgania i rozsprzęgania efektów wywoływanych przez losowe zakłócenia środowiskowe. Koncepcję tę można wykorzystać jako narzędzie diagnostyczne pozwalające na uzyskiwanie informacji z systemów zamkniętych. Spiny służą za sondy kwantowe, których dynamikę można scharakteryzować przy pomocy procesów dyfuzyjnych. Zespół QUANTUM CONTROL opracował szereg metod umożliwiających dokładne szacowanie parametrów procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych. Sekwencje spin-echo pozwalają na określanie tych parametrów przy najmniejszej możliwej liczbie pomiarów. Co jeszcze ważniejsze, możliwe jest uzyskanie dużej precyzji dzięki optymalizacji kontrolowania kwantowego tych sond spinowych. W połączeniu z funkcjami obrazowania przestrzennego oferowanymi przez standardowe obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego rozwiązania te stanowią zupełnie nową metodę pomiaru mikroskopijnych architektur strukturalnych w bardzo wysokiej rozdzielczości. Wyniki prac zostały opisane w szeregu publikacji zamieszczonych w prestiżowych czasopismach naukowych. Uczeni spodziewają się, że uda się znaleźć zastosowania nowych metod w badaniach materiałowych i biologii, tak aby w sposób nieinwazyjny wyodrębniać informacje z systemów zamkniętych, na przykład w naczyniach, porach i komórkach. Ponadto, mogą one znaleźć zastosowanie w tworzeniu stanów spinów jądrowych w pamięciach kwantowych, a także w obrazowaniu żywych komórek poprzez obserwację spolaryzowanych nanodiamentów. Nanodiamenty można bezpiecznie wstrzykiwać żywym zwierzętom lub doprowadzać do ich kontaktu z innymi roztworami ciekłymi w celu przeniesienia polaryzacji z diamentów do roztworu.
Słowa kluczowe
Kontrolowanie kwantowe, detekcja kwantowa, systemy kwantowe, komputery kwantowe, spin jądrowy, sekwencje spin-echo, magnetyczny rezonans jądrowy, obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego, ośrodki luk azotu, systemy zamknięte
