Kvantfysiken har lett till nya typer av sensorer, säkra dataöverföringsmetoder och forskare arbetar mot datorer. Dock, det största hindret är att hitta det rätta sättet att koppla och exakt kontrollera ett tillräckligt antal kvantsystem (t.ex. enskilda atomer).

Ett team av forskare från TU Wien och Harvard University har hittat ett nytt sätt att överföra kvantinformation. De föreslår att man använder små mekaniska vibrationer. Atomerna är kopplade via fononer - de minsta kvantmekaniska enheterna av vibrationer eller ljudvågor.

"Vi testar små diamanter med inbyggda kiselatomer - dessa kvantsystem är särskilt lovande, " säger professor Peter Rabl från TU Wien. "Normalt, diamanter är gjorda uteslutande av kol, men att lägga till kiselatomer på vissa ställen skapar defekter i kristallgittret där kvantinformation kan lagras." Dessa mikroskopiska brister i kristallgittret kan användas som små omkopplare som kan växlas mellan ett tillstånd av högre energi och ett tillstånd av lägre energi med hjälp av mikrovågor.

Tillsammans med ett team från Harvard University, Peter Rabls forskargrupp har utvecklat en ny idé för att uppnå den riktade kopplingen av dessa kvanta i diamanten. En och en, de kan byggas in i en liten diamantstav som bara är några mikrometer långa, som enskilda pärlor på ett halsband. Precis som en stämgaffel, denna stav kan sedan fås att vibrera – men dessa vibrationer är så små att de bara kan beskrivas med hjälp av kvantteorin. Det är genom dessa vibrationer som kiselatomerna kan bilda en kvantmekanisk länk till varandra.

"Ljus skapas av fotoner, ljusets kvantum. På samma sätt, mekaniska vibrationer eller ljudvågor kan också beskrivas på ett kvantmekaniskt sätt. De är sammansatta av fononer - de minsta möjliga enheterna av mekanisk vibration, " förklarar Peter Rabl. Som forskargruppen nu har kunnat visa med hjälp av simuleringsberäkningar, valfritt antal av dessa kvanta kan kopplas samman i diamantstaven via fononer. De enskilda kiselatomerna slås på och av med hjälp av mikrovågor. Under denna process, de avger eller absorberar fononer. Detta skapar en kvantintrassling av kiseldefekterna, vilket gör att kvantinformation kan överföras.

Tills nu, det var inte klart om något sådant ens var möjligt. "Vanligtvis skulle man förvänta sig att fononerna skulle absorberas någonstans, eller att komma i kontakt med miljön och därmed förlora sina kvantmekaniska egenskaper, " säger Peter Rabl. "Fononer är kvantinformationens fiende, så att säga. Men med våra beräkningar, vi kunde visa att när de kontrolleras på lämpligt sätt med hjälp av mikrovågor, fononerna är, faktiskt, användbar för tekniska applikationer."

Den största fördelen med denna nya teknik ligger i dess skalbarhet. "Det finns många idéer för kvantsystem som, i princip, kan användas för tekniska tillämpningar. Det största problemet är att det är väldigt svårt att koppla ihop tillräckligt många av dem för att kunna utföra komplicerade beräkningsoperationer, " säger Peter Rabl. Den nya strategin att använda fononer för detta ändamål kan bana väg för en skalbar kvantteknologi.