Silvia Arroyo Camejo

Siemens Healthineers, Germany · Magnetic Resonance

At its most fundamental level, circuit-based quantum computation relies on the application of controlled phase shift operations on quantum registers. While these operations are generally compromised by noise and imperfections, quantum gates based on geometric phase shifts can provide intrinsically fault-tolerant quantum computing. Here we demonstra...

The Nitrogen-Vacancy (NV) defect in diamond is a unique quantum system that offers precision sensing of nanoscale physical quantities at room temperature beyond the current state-of-the-art. The benchmark parameters for nanoscale magnetometry applications are sensitivity, spectral resolution, and dynamic range. Under realistic conditions the NV sen...

Nitrogen-vacancy (NV) colour centres in nanodiamonds are highly promising for bio-imaging and sensing. However, resolving individual NV centres within nanodiamond particles and the controlled addressing and read-out of their spin state has remained a major challenge. Spatially stochastic super-resolution techniques cannot provide this capability on...

Quantum logic: Suppressing noise with geometric phases A demonstration of quantum logic gates based on geometric phases could enable quantum computing in noisy experimental conditions. Developing large-scale quantum computation requires the performance of quantum logic gates to be significantly improved. Quantum logic gates are very sensitive to no...

Exploiting the fundamental laws of quantum mechanics might radically shift established paradigms in different fields of technology such as classical computation and information technology, and sensing applications in the life and physical sciences. In this thesis, we demonstrate how new types of intrinsically robust quantum operations and the novel...

Understanding the physical origin of noise affecting quantum systems is important for nearly every quantum application. Quantum-noise spectroscopy has been used in various quantum systems, such as superconducting qubits, nitrogen-vacancy centers, and trapped ions. Traditional spectroscopy methods are usually efficient in measuring noise spectra wit...

Geometric phases and holonomies (their non-commuting generalizations) are a promising resource for the realization of high-fidelity quantum operations in noisy devices, due to their intrinsic fault-tolerance against noise and experimental imperfections. Despite their conceptual appeal and proven fault-tolerance, for a long time their practical use...

Understanding the physical origin of noise affecting quantum systems is important for nearly every quantum application. While quantum noise spectroscopy has been employed in various quantum systems, such as superconducting qubits and trapped ions, traditional spectroscopy methods are usually efficient in measuring noise spectra with mostly monotoni...

Nitrogen vacancy (NV) color centers in diamond are a leading modality for both superresolution optical imaging and nanoscale magnetic field sensing. In this work, we address the key challenge of performing optical magnetic imaging and spectroscopy selectively on multiple NV centers that are located within a diffraction-limited field-of-view. We use...

The Nitrogen-Vacancy (NV) defect in diamond is a unique quantum system that offers precision sensing of nanoscale physical quantities beyond the current state-of-the-art. Here we present a method to controllably encode the interactions in the population of the spin states, thereby introducing a way to control the sensitivity of a single spin as a c...

The Nitrogen-Vacancy (NV) defect in diamond is a unique quantum system that offers precision sensing of nanoscale physical quantities beyond the current state-of-the-art. Here we present a method to controllably encode the interactions in the population of the spin states, thereby introducing a way to control the sensitivity of a single spin as a c...

La decisa avversione di Einstein nei confronti del principio di indeterminazione di Heisenberg ci è ben nota. Nonostante Bohr, attraverso le puntuali argomentazioni che in parte abbiamo illustrato nel capitolo 9, fosse sempre in grado di difendere la propria teoria dagli attacchi di Einstein, quest’ultimo continuava a non essere disposto ad accetta...

Nella fisica classica, alle soglie del 1900, un piccolo e apparentemente insignificante problema emerso in termodinamica, non potendo essere trascurato del tutto, continuava a infastidire la comunità scientifica. Si immagini un corpo nero ideale, un corpo, cioè, in grado di assorbire per intero la radiazione elettromagnetica che lo investe, senza r...

In quest’ultimo capitolo sulla fisica quantistica “pura” vogliamo finalmente dedicarci alle scoperte del nostro tempo, mettendo per un attimo da parte le grandi conquiste storiche fatte dalle brillanti menti del passato. Dopo che intere generazioni di fisici, per i primi due terzi del secolo scorso, si sono fondamentalmente cimentate con le stranez...

Negli ultimi capitoli abbiamo dovuto riconoscere che, tanto nella fisica classica, quanto, specialmente, nella meccanica quantistica, ci sono fenomeni ed effetti che possono essere descritti e spiegati solamente attraverso il modello ondulatorio oppure solamente attraverso il modello corpuscolare. Quale dei due modelli debba essere di volta in volt...

Già gli antichi greci si erano posti la domanda sulla natura della luce. Per quanto semplice questo quesito possa magari sembrare a un primo sguardo, rispondervi chiaramente è, al contrario, estremamente difficile. Nel corso dello sviluppo storico della fisica, lungo i secoli, la risposta a questa domanda è andata incontro a continui cambiamenti. A...

Ora che sappiamo che la radiazione elettromagnetica, nell’esperimento delle due fenditure, mostra un carattere ondulatorio, potremmo essere curiosi di sapere che succede quando, al posto della luce, utilizziamo come sorgente un fascio di elettroni, cioè un flusso di “autentiche particelle” (qualunque cosa questo significhi). Per farlo, è sufficient...

Dopo che Einstein, nel 1905, aveva riportato alla ribalta il modello corpuscolare della luce, l’idea che la radiazione elettromagnetica fosse composta da fotoni trovò una nuova conferma sperimentale con la scoperta dell’effetto Compton.

La complicata questione se la luce è fatta di particelle o di onde ha rappresentato da sempre un enigma insolubile, tanto per gli antichi filosofi quanto per i primi scienziati. Effettivamente, come vedremo in dettaglio più avanti, nemmeno ai nostri giorni è possibile dare a questa domanda una risposta univoca, in un senso o nell’altro. Da sempre q...

Già prima di Albert Einstein (1879–1955) si sapeva che, in determinate circostanze, era possibile “strappare” elettroni da una lastra di metallo esponendola ai raggi luminosi. Questo fenomeno, scoperto da Heinrich Hertz nel 1887, viene chiamato effetto fotoelettrico. Nel 1905, Einstein vi dedicò la propria attenzione per darne, di lì a poco, una sp...

La meccanica matriciale venne sviluppata nel 1925 da Werner Heisenberg e fu la prima teoria matematica formulata per descrivere il comportamento degli oggetti quantistici. Come è facile intuire dal nome, dal punto di vista matematico essa si basa sul calcolo matriciale. Per mezzo di questa teoria, per la prima volta, poterono essere eseguiti calcol...

Durante la discussione dell’equazione di Schrödinger, abbiamo potuto constatare quanto precisa e in linea con le verifiche sperimentali sia la descrizione del microcosmo che l’apparato matematico della meccanica quantistica è in grado di fornire. Tutti gli esperimenti che abbiamo considerato fin qui e tutti i fenomeni con i quali ci siamo confronta...

Di fronte a un bilancio cosÌ nettamente positivo per la fisica quantistica, sia dal punto di vista dell’efficacia teorica che da quello delle promettenti applicazioni pratiche, si potrebbe a buon diritto pensare di essere arrivati a un passo dai segreti ultimi della natura. Fino a oggi, la teoria dei quanti ha ricevuto innumerevoli conferme, attrav...

Nel 1927, alla celebre quinta edizione del Congresso Solvay (vedere fig. 9.1), appuntamento importantissimo al quale partecipavano solo i migliori fisici dell’epoca, Niels Bohr (1885–1962), l’autore del modello atomico che porta il suo nome, tenne una conferenza sul tema di quella edizione: “Fotoni ed elettroni”. Egli colse così l’occasione per pre...

Quanto fosse spinosa e problematica la questione del passaggio di un sistema fisico da uno stato di sovrapposizione a un ben determinato e univoco stato concreto, era già emerso dalla discussione sul dualismo onda-particella, a proposito dell’esperimento della doppia fenditura. In quell’occasione, per la prima volta, ci eravamo imbattuti nell’inter...

Già all’inizio di questo libro abbiamo affrontato la fondamentale questione della composizione della materia. In questo paragrafo vogliamo riprendere e integrare, dal punto di vista storico, la descrizione dei primi modelli dell’atomo abbozzata nel capitolo 1, per poter capire come mai fosse necessaria la formulazione di un nuovo modello, più vicin...

Il principio di indeterminazione di Heisenberg costituisce uno degli elementi centrali e fondamentali dellameccanica quantistica. Esso rappresenta per i fisici quantistici quello che le conoscenze basilari di anatomia rappresentano per i medici. Per questo vogliamo dedicare interamente il presente capitolo a questo importantissimo principio.

Scritto prima dell'esame di maturità da una giovane di eccezionale talento, questo libro colma il vuoto esistente tra la letteratura divulgativa sulla fisica quantistica, che normalmente evita ogni formula matematica, e la letteratura specialistica, ben farcita, invece, di matematica avanzata. L'autrice, appena diciannovenne, con l'ausilio della so...

Von einem jungen Ausnahmetalent noch vor dem Abitur verfasst, schließt das vorliegende Buch über die "skurrile Quantenwelt" endlich die Lücke zwischen der meist oberflächlichen und formelfreien populärwissenschaftlichen Literatur und der allzu hochgestochenen, von höherer Mathematik gespickten Studienliteratur. Die erst 19jährige Silvia Arroyo Came...

Schon zu Beginn dieses Buches stellte sich uns die grundlegende Frage nach dem Aufbau der Materie. Die in Kap. 1 nur kurz angeschnittenen, historisch gesehen frühen Modelle des Atoms wollen wir nun noch einmal aufarbeiten, um nachvollziehen zu können, warum die Formulierung eines neuen, realitätsnäheren Atommodells nötig war.

Nachdem wir nun wissen, dass die elektromagnetische Strahlung beim Doppelspaltexperiment einen Wellencharakter aufzeigt, können wir einmal untersuchen, was passiert, wenn man anstatt elektromagnetischer Strahlung einen Elektronenstrahl, also einen Fluss von „echten Teilchen“ (was auch immer das sein möge) als Quelle nimmt. Im Grunde muss man hierfü...

Die 1925 von Werner Heisenberg entwickelte Matrizenmechanik, mit welcher erstmalig eine mathematische Theorie der Verhaltensweisen von Quantenobjekten existierte, basiert mathematisch gesehen, wie schon unschwer an ihrem Namen zu erkennen ist, auf der Anwendung der Matrizenrechnung. Mittels dieser konnten zum ersten Mal konkretere Berechnungen bezü...

Schon vor Albert Einstein (1879–1955) war bekannt, dass aus einer Metallplatte, die mit Licht bestrahlt wird, unter Umständen Elektronen aus dem Metallgitter „geschlagen“ werden können. Dieser Effekt, der 1887 von Heinrich Hertz entdeckt wurde, wird photoelektrischer Effekt oder auch kurz Photoeffekt genannt. Im Jahr 1905 schließlich wandte sich Ei...

Wie problematisch der Übergang eines Systems von einem überlagerten Superpositionszustand zu einem konkret definierten Einzelzustand ist, diskutierten wir schon an früherer Stelle in Zusammenhang mit dem beim Doppelspaltexperiment auftretenden Welle-Teilchen-Dualismus. Dort lernten wir den Interpretationsansatz der von Bohr et al. entworfenen Kopen...

Die verzwickte Frage, ob das Licht aus Teilchen oder Wellen besteht, bedeutete seit jeher, sowohl für die antike Philosophie als auch die frühen Naturwissenschaften, ein unlösbares Rätsel. Tatsächlich konnte sie, wie wir im Detail später noch sehen werden, nicht einmal bis zum heutigen Tag explizit entschieden werden. Sie war schon immer Gegenstand...

Niels Bohr (1885–1962), der Urheber des nach ihm benannten Bohrschen Atommodells, hielt 1927 auf der berühmten fünften Solvay-Konferenz (siehe Abb. 9.1), auf denen sich stets nur die hervorragendsten Physiker der damaligen Zeit auszutauschen pflegten, einen Vortrag zum Thema des diesmaligen Kongresses: „Photonen und Elektronen“. Hier ergriff er die...

Angesichts dieser durchaus positiv ausfallenden Bilanz über die sowohl theoretisch extrem erfolgreiche als auch hinsichtlich der praktischen Anwendung zukunftsträchtigen Quantenphysik kann man doch mit Recht behaupten, man wäre der Natur letztem Geheimnis durch die Erkenntnisse der Quantenphysik schon sehr nahe gekommen. Vielfache Bestätigung durch...

Das Prinzip der Heisenbergschen Unschärferelation stellt wohl eines der zentralsten und vor allem fundamentalsten Elemente der Quantenmechanik dar. Sie ist für den Quantenphysiker so elementar wie fundierte Anatomiekenntnisse für den Mediziner. Deshalb wollen wir uns in diesem Kapitel mit jener überaus wichtigen Ungleichung befassen.

Die eklatante Abneigung Einsteins gegenüber der Unschärferelation Heisenbergs ist uns bereits wohl bekannt. Auch wenn Bohr, wie wir in Kap. 9 erfuhren, stets dazu in der Lage war Einsteins Kritik an seiner Theorie durch gekonnte Gegenargumentation abzuwehren, so hielt Einsteins Widerwille gegenüber der Behauptung, die Quantenmechanik böte eine voll...

Dass der mathematische Apparat der Quantenmechanik sowohl eine sehr präzise als auch vielmals experimentell verifizierte Beschreibung des Mikrokosmos zu liefern vermag, haben wir während der Diskussion der Schrödinger-Gleichung erfahren. Alle Experimente, die wir bis jetzt besprachen, jegliche Phänomene, mit denen wir uns bis zu dieser Stelle ausei...

Wir haben in den letzten Kapiteln erkannt, dass es sowohl in der klassischen Physik als auch im Speziellen in der Quantenphysik bestimmte Effekte und Phänomene gibt, die entweder nur über das Wellen- oder nur über das Teilchenmodell erklärt und beschrieben werden können. Welches Modell in einem jeweilig vorliegenden Fall zur Beschreibung angewandt...

Die interessante Frage nach der Natur des Lichts stellten sich schon einst die alten Griechen. Doch so simpel diese kurze Frage auf den ersten Blick auch anmuten mag, so unermesslich schwierig ist hingegen ihre eindeutige Beantwortung. Im Laufe der Jahrhunderte zeigte sich, dass die Antwort auf jene Frage während der historischen Entwicklung der Ph...

Zweifelsohne ist die Verehrung, die man angesichts der großartigen Leistungen Bohrs und Einsteins nicht zuletzt über ihre herausragenden, subtilen Debatten einfach empfinden muss, nicht gerade klein. Und dennoch ist es gerade für den kritischen Wissenschaftler eine unbefriedigende Tatsache, dass diese fundamental wichtigen Diskussionen letzten Ende...

In diesem letzten Kapitel über die „pure“ Quantenphysik wollen wir uns — über die bereits abgehandelten, großartigen, historischen Entdeckungen der brillanten Köpfe vergangener Tage hinweg — endlich in die Entdeckungen der heutigen Zeit begeben. Nachdem sich die Physiker-Generationen der ersten zwei Drittel des verstrichenen Jahrhunderts hauptsächl...