Forskare vid Centre for Quantum Nanoscience inom Institutet för Grundläggande Vetenskap (IBS) har gjort ett stort genombrott i att kontrollera enskilda atomers kvantegenskaper. I ett internationellt samarbete med IBM Research i San Jose, Kalifornien, använda avancerade tekniker, forskarna identifierade vilka mekanismer som förstör individuella atomers kvantegenskaper genom att manipulera det magnetiska tillståndet hos en enda järnatom på en tunn isolator. Med hjälp av ett skannande tunnelmikroskop med en atomärt vass metallspets, de kunde avbilda individuella järnatomer och mäta och kontrollera den tid de bibehåller sitt kvantbeteende.

Deras fynd, publiceras i tidskriften Vetenskapens framsteg , visa att förlusten i kvanttillståndssuperposition främst orsakas av närliggande elektroner som forskarna exakt injicerade i järnatomen.

"Vi fann att nästan varje elektron förstör kvanttillståndet, " förklarar Dr. Philip Willke, första författare till studien. "Dessutom, vi fann att närliggande fluktuerande magneter hade en liknande negativ inverkan. Medan våra experiment minskade superpositionens tillstånd med avsikt, det gav oss också värdefulla ledtrådar om hur vi kan förbättra atomernas kvanttillstånd."

Andreas Heinrich, Direktör för IBS Center for Quantum Nanoscience, sa, "Att förstå dessa destruktiva interaktioner gör att vi kan undvika dem i framtida experiment och förbättra prestandan hos magnetiska kvantsensorer som, I detta fall, består bara av en enda atom."

Kvantnanovetenskap förlitar sig på att utnyttja egenskaperna hos atomer och molekyler för potentiella framsteg inom kvantavkänning, potentiellt förbättra enheter som använder sådan teknik, inklusive sjukhus MRI-maskiner.

Kvantdatorer skulle också potentiellt kunna dra nytta av denna forskning. Medan den fortfarande är i tidig utveckling, kvantberäkningar lovar att överträffa klassiska datorer i uppgifter som databashantering, sökning och optimering. Ett kvantsystem kan upprätthålla två kvanttillstånd samtidigt, ett tillstånd som kallas överlagring av kvanttillstånd. Dock, när ett sådant kvantsystem interagerar i särskilda miljöer – antingen genom önskad eller oönskad kontakt – förstörs denna överlagring av tillstånd lätt. Fysiker försöker förstå och kontrollera dessa processer.