Revolutioneren Kwantumcomputing: Enkel-Atoom Qubits Gecontroleerd door Scanning Tunneling Microscopie

Ons IBM Research team heeft een mijlpaal doorbraak in kwantumcontrole bereikt, demonstrerend dat individuele atomen betrouwbare qubits kunnen dienen voor kwantuminformatieverwerking.

In de nieuw gepubliceerde paper "Coherent spin manipulation of individual atoms on a surface," verschenen in het tijdschrift Science, rapporteren wij de eerste succesvolle gebruik van enkele atomen als qubits. Kwantumbits, of qubits, zijn de fundamentele eenheden die een kwantumcomputer's ongekende verwerkingskracht mogelijk maken.

Deze prestatie markeert de eerste keer dat een enkel-atoom qubit gerealiseerd is met een Scanning Tunneling Microscope (STM), een IBM uitvinding die een Nobelprijs won voor zijn vermogen om atomen één voor één te imageren en herpositioneren. De STM's precisie is cruciaal omdat het elk atoomaire qubit toelaat te worden geplaatst en gerangschikt met nanometer nauwkeurigheid, wat onderzoekers fijnmazige controle over het qubit netwerk geeft.

Co-auteur Dr. Christopher Lutz van IBM Research - Almaden in San Jose, Calif. staat naast IBM's Nobelprijs-winnende microscoop gebruikt om de eerste enkel-atoom qubit te creëren. (Stan Olszewski voor IBM)

Een kwantumsprong van atoomaire bit naar qubit

In conventionele computers is de basale data-eenheid een bit, die alleen een "0" of een "1" kan vasthouden. Een qubit, daarentegen, kan in een superpositie van beide statussen tegelijkertijd bestaan, een eigenschap die ten grondslag ligt aan kwantumvoordeel. De superpositie stelt kwantumprocessoren in staat om veel mogelijkheden tegelijk te evalueren, wat bepaalde berekeningen dramatisch versnelt.

Onze experimenten emploeyer de kwantumeigenschap van spin in een titanium atoom als de fysieke uitvatting van een qubit. Een titanium atoom's spin voorziet het van een klein magnetisch moment, analoog aan een miniature kompasnaald. De twee mogelijke magnetische oriëntaties - noord-wijs of zuid-wijs - definiëren de logische "0" of "1" van de qubit. Wij stabiliseren deze spin door het titanium atoom op een ultradun magnesium oxide laag te plaatsen, wat zijn magnetisch moment beschermt en coherentie behoudt.

Een titanium atoom leren dansen

Om de atoom's spin in een gewenste superpositie te sturen, leveren wij hoge-frequente microgolfpulsen via de STM tip. Deze microgolven fungeren als een resonant radiofrequent veld dat het magnetische moment van het atoom kantelt. Wanneer de pulsfrequentie overeenkomt met de spin resonantie, ondergaat het titanium atoom een snelle precessie - bekend als een Rabi oscillatie - wat een volledige rotatie in ruwweg 20 nanoseconden voltooit. Door de pulsduur aan te passen, kunnen wij de atoom's precessie op elke intermediaire hoek stoppen, wat elke superpositie staat coderen die we vereisen. Deze techniek, gepulste elektronspinresonantie, wordt in real-time gemonitord door de STM's uitzonderlijke gevoeligheid.

Figuur 1. Een kunstenaar's impressie van een enkel titanium atoom's kwantum dans boven een magnesium oxide oppervlak, gecontroleerd door de STM tip's microgolfveld.

Omdat deze enkel-atoom qubits hoog gevoelig zijn voor magnetische velden, functioneren ze ook als kwantumsensoren, capabel van het detecteren van minuut magnetische interacties van naburige atomen. Beneficiërend van deze gevoeligheid, hebben wij twee titanium qubits geëntangleerd om een twee-qubit systeem te vormen - een cruciale stap naar schaalbare kwantumprocessors die op verstrengeling vertrouwen voor versnelling.

Om het twee-qubit apparaat te construeren, gebruiken wij de STM om de titanium atomen in precies gedefinieerde posities te manipuleren, bereikend een inter-atoom afstand van slechts 1 nanometer. De figuur hieronder illustreert dit geëngineerde paar.

Figuur 2. Twee titanium atomen gepositioneerd 1nm uit elkaar, wat gecontroleerde kwantumoperaties mogelijk maakt.

De magnetische interactie tussen de twee atomen - bekend als de kwantum uitwisselingsinteractie - zorgt ervoor dat hun spins in tegengestelde richtingen uitlijnen, net als twee koelkastmagneten. Deze interactie is het mechanisme dat de qubits in staat stelt te verstrengelen, een gedeelde kwantumstaat creërend die niet onafhankelijk voor elk atoom beschreven kan worden. Wij kunnen de graad van verstrengeling fijnstellen door de atoomaire afstand en de parameters van de microgolfpulsen aan te passen.

Controle over superpositie en verstrengeling via gepulste spinresonantie opent avenues voor het verkennen van fundamentele kwantumfenomenen zoals decoherentie, alsook voor het testen van nieuwe kwantummaterialen en magnetische moleculen. Deze doorbraak levert effectief een analoge kwantumsimulator, biedend een platform om complexe magnetische interacties te sondes die next-generation kwantumalgoritmen kunnen informeren.

Coherent spin manipulation of individual atoms on a surface, Kai Yang, William Paul, Soo-Hyon Phark, Philip Willke, Yujeong Bae, Taeyoung Choi, Taner Esat, Arzhang Ardavan, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz, Science 366, 509 (2019)