Kvantteknologi ses som en viktig framtidsinriktad teknik:mindre, snabbare och med högre prestanda än konventionell elektronik. Dock, att utnyttja kvanteffekter är svårt eftersom naturens minsta byggstenar har egenskaper som skiljer sig mycket från dem vi känner från vår vardag. Ett internationellt team av forskare har nu lyckats extrahera en feltolerant manipulation av kvanta från en effekt av klassisk mekanik.

Rörelsen av en tennisracket i luften kan hjälpa till att förutsäga kvantbeteende. "Genom att använda en analogi från klassisk fysik hjälper vi oss att mer effektivt utforma och illustrera kontrollelement för fenomen i kvantvärlden, "rapporterar Stefan Glaser, professor vid Institutionen för kemi vid Münchens tekniska universitet (TUM).

"Att kontrollera egenskaperna hos kvanta och använda dem i tekniska processer har hittills visat sig svårt eftersom kvanterna följer sina egna lagar, som ofta överträffar vår fantasi, "förklarar forskaren." Möjliga applikationer som säkra nätverk, mycket känslig mätutrustning och ultrasnabba kvantdatorer är alltså fortfarande i sin linda. "

Quanta under kontroll

"Att använda kvanteffekter på ett tekniskt sätt genom att påverka partiklarnas beteende genom elektromagnetiska fält krävde de snabbast möjliga metoderna för att utveckla feltoleranta kontrollsekvenser, "säger Glaser." Hittills, de flesta metoderna bygger på mycket komplicerade beräkningsprocesser. "

Tillsammans med ett internationellt team av fysiker, kemister och matematiker, forskaren har nu upptäckt en oväntad, lovande och nytt tillvägagångssätt:Använda tennisracketeffekten, ett välkänt fenomen inom klassisk mekanik, den konsekventa förändringen i kvantspinnet via elektromagnetiska styrkommandon kan visualiseras.

Tennisracket i rörelse

Tennisracketeffekten beskriver vad som händer när man kastar en tennisracket i luften medan den ger en rotation kring en axel. När man snurrar racketen kring dess tväraxel uppstår en överraskande effekt:Förutom den avsedda 360-graders rotation kring dess tväraxel, racketen kommer nästan alltid att utföra en oväntad 180-graders vändning kring sin längdaxel. När racketen fångas, den första undersidan kommer att vända uppåt.

"Ansvarig för denna effekt är små avvikelser och störningar under slängningen och de olika tröghetsmomenten längs de tre axlarna i en asymmetrisk kropp. Effekten kan också observeras genom att kasta en bok eller mobiltelefon i luften - för gott mått över en mjuka sängkläder - istället för en tennisracket, "belyser Glaser. De längsta och kortaste axlarna är stabila. Men mellanaxeln, i fallet med en tennisracket, tväraxeln, är instabil och även små omrörningar utlöser tillförlitligt ytterligare 180 graders rotation.

Quanta i rörelse

Quanta har också vinkelmoment, känd som spin. Detta kan påverkas genom att applicera ett elektromagnetiskt fält. "Syftet med denna kvantteknik är att ändra orienteringen av snurr på ett riktat sätt, vilket minimerar fel som orsakas av små störningar, säger Glaser.

"Den upptäckta matematiska analogin mellan de geometriska egenskaperna hos klassisk fysik avseende fritt roterande föremål och kontroll av kvantfenomen kan nu användas för att optimera den elektromagnetiska kontrollen av kvanttillstånd, "sammanfattar medförfattaren prof. Dominique Sugny. Förutom vid Franska universitetet i Bourgogne arbetar forskarna som Hans Fischer-stipendiat vid Institute for Advanced Study vid TUM.

Ny, robusta modeller

Med hjälp av mätningar av kärnvridningen, laget kunde experimentellt visa att tennisracket -effekten verkligen förbättrar robustheten hos spridningssekvenser. De har nu publicerat sina resultat i tidningen " Vetenskapliga rapporter . "

"Baserat på dessa forskningsresultat, vi kan nu utveckla effektivare matematiska modeller som gör att fel kan undvikas vid kontroll av kvantprocessorer, "tillägger Glaser." Utifrån det väl förstådda fenomenet från klassisk fysik, vi kan inte bara visualisera utvecklingen av tillförlitliga styrsekvenser inom kvantteknik, men också påskynda dem avsevärt. "