Qubits met één atoom onder een microscoop bouwen

Ons team bij IBM Research heeft een doorbraak bereikt in het beheersen van het kwantumgedrag van individuele atomen, en demonstreerde een veelzijdige nieuwe bouwsteen voor kwantumberekening.

In het artikel "Coherente spinmanipulatie van individuele atomen op een oppervlak", dat vandaag in het tijdschrift Science is gepubliceerd, demonstreerde ons team het gebruik van afzonderlijke atomen als qubits voor de verwerking van kwantuminformatie. Quantumbits, of qubits, zijn de fundamentele bouwstenen van het vermogen van een kwantumcomputer om informatie te verwerken.

Dit is de eerste keer dat een qubit met één atoom is bereikt met behulp van een Scanning Tunneling Microscope (STM), de Nobelprijswinnende IBM-uitvinding waarmee atomen afzonderlijk kunnen worden bekeken en verplaatst. Dit is een belangrijke doorbraak omdat de STM elk atoomqubit kan afbeelden en positioneren om de rangschikking van nabijgelegen qubit-atomen nauwkeurig te regelen. De microscoop werkt door de ultrascherpe naaldpunt nabij een oppervlak te scannen om de rangschikking van individuele atomen waar te nemen, en de naaldpunt kan atomen in de gewenste rangschikkingen trekken of dragen.

Co- auteur Dr. Christopher Lutz van IBM Research - Almaden in San Jose, Californië staat met IBM's Nobelprijswinnende microscoop die werd gebruikt om de eerste qubit met één atoom te bereiken. (Stan Olszewski voor IBM)

Een kwantumsprong van atoombit naar qubit

De basiseenheid van informatie in onze huidige computers is een beetje. Een bit kan slechts één van twee waarden hebben:"0" of "1". Het kwantumneefje van bit is een qubit, die een kwantumcomputer aandrijft. Naast het hebben van "0" en "1" waarden, kan een qubit ook tegelijkertijd in een combinatie van "0" en "1" zijn. Dit soort toestand - deels "0" en gedeeltelijk "1" - wordt een superpositietoestand genoemd. Dergelijke toestanden zijn een fundamenteel kenmerk van de kwantummechanica die al tientallen jaren bekend is en pas recentelijk wordt toegepast in echte kwantumcomputers.

In onze experimenten gebruiken we een kwantumeigenschap van een titaniumatoom genaamd "spin" om één qubit weer te geven. De spin-eigenschap maakt elk titanium magnetisch, dus het gedraagt ​​​​zich als een kleine kompasnaald. Net als een magneet op een koelkast heeft elk titaniumatoom een ​​magnetische noord- en zuidpool. De twee magnetische oriëntaties definiëren de "0" of "1" van een qubit. We hebben het titaniumatoom op een speciaal gekozen oppervlak geplaatst, een ultradun laagje magnesiumoxide, om zijn magnetisme te beschermen en het te laten pronken met zijn kwantumpersoonlijkheid.

Een titaniumatoom leren dansen

Dus, hoe kunnen we een titaniumatoom overhalen in een gekozen kwantumsuperpositietoestand? Het antwoord is om hoogfrequente radiogolven, microgolven genaamd, op het atoom toe te passen. Deze microgolven, afkomstig van de punt van de microscoop, sturen de magnetische richting van het atoom. Wanneer ze op de juiste frequentie zijn afgestemd, leiden deze microgolven het titaniumatoom tot een 'kwantumdans', zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Het atoom houdt nog steeds aan het oppervlak, maar zijn magnetische noordpool draait snel rond en eindigt in de gewenste richting. Deze dans, 'Rabi-oscillatie' genoemd, is extreem snel en duurt slechts ongeveer 20 nanoseconden om de qubit om te draaien, van omhoog wijzend naar "0", naar omlaag naar "1" of weer terug. Aan het einde van de dans wijst het atoom naar een ontworpen richting - een "0" of een "1" of een superpositie die daartussen ligt - afhankelijk van hoe lang we de radiogolven toepassen. De technische term van deze sleuteltechniek is gepulseerde elektronenspinresonantie, en het kan elke superpositietoestand creëren die we willen. We controleren en observeren deze spinrotaties met behulp van de extreme gevoeligheid van de STM.

Figuur 1 Een artist's view van de kwantumdans van een enkel titaniumatoom (gele bal) bovenop een speciaal geprepareerd oppervlak van magnesiumoxide. De bovenkant van de afbeelding toont de scherpe naaldpunt van de STM, die wordt gebruikt om coherente controle uit te voeren.

Deze qubits met één atoom zijn extreem gevoelig voor magnetische velden, dus ze kunnen ook worden gebruikt als kwantumsensoren om het subtiele magnetisme van nabijgelegen atomen te meten. We hebben deze gevoeligheid gebruikt om qubits met elkaar te laten interageren - of verstrengelen - en een apparaat met twee qubits te maken. Dit is een cruciale stap in de richting van het begrip van hoe we het uiteindelijke doel kunnen bereiken om veel qubits op elkaar in te laten werken, zodat we kunnen profiteren van de kwantumversnelling in de verwerkingskracht ten opzichte van conventionele computers.

Om een ​​apparaat met twee qubits te bouwen, gebruiken we onze microscoop om individuele titaniumatomen te zien en letterlijk aan te raken, en ze precies in de gewenste atomaire posities te duwen. Dit stelt ons in staat om geconstrueerde structuren te bouwen die uit twee atomen bestaan ​​op nauwkeurig gekozen afstanden, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Figuur 2 Een afbeelding van twee titaniumatomen die slechts 1 nanometer van elkaar verwijderd zijn en worden gebruikt om complexe kwantumbewerkingen uit te voeren.

Wanneer we twee koelkastmagneten bij elkaar plaatsen, trekken ze aan of stoten ze af, afhankelijk van hoe ze worden vastgehouden. Soortgelijke fysica geldt voor de twee titaniumatomen op dit oppervlak, en de kleine magnetische kracht ertussen brengt ze op één lijn, zodat ze in tegengestelde richtingen wijzen. De technische term voor deze magnetische kracht tussen de twee atomen is de kwantumuitwisselingsinteractie.

Door deze kwantuminteractie kunnen de twee qubits een toestand vormen met kwantumverstrengeling. Verstrengelde toestanden zijn kwantumpatronen waarin de toestand van de ene qubit direct gerelateerd is aan de toestand van een andere - zo verstrengeld dat het technisch niet mogelijk is om de toestand van het ene atoom te beschrijven zonder tegelijkertijd het andere te beschrijven. Deze eigenschap van verstrengeling is de sleutel tot de kracht van quantum computing. We kunnen de eigenschappen van deze verstrengeling beheersen door de afstand tussen de atomen aan te passen en door de duur en de frequentie te kiezen van de radiogolven die ze besturen.

Het beheersen van kwantumsuperpositie en verstrengeling door gepulseerde spinresonantie zijn slechts twee voorbeelden van wat we nu kunnen bestuderen. Als we bijvoorbeeld meer atomen verstrengelen, kunnen we theorieën testen over wat kwantumdecoherentie veroorzaakt - waar en hoe ontstaat het? Hoe kan het worden verminderd? Chemici zouden de ontwerpen van magnetische moleculen en kunstmatige kwantummaterialen kunnen testen. Deze doorbraak van het gebruik van gepulste spinresonantie op schikkingen van atomen geeft ons een analoge kwantumsimulator om een ​​groot aantal kwantummagnetische eigenschappen te testen die tot nieuwe computertechnieken kunnen leiden.

Coherente spinmanipulatie van individuele atomen op een oppervlak, Kai Yang, William Paul, Soo-Hyon Phark, Philip Willke, Yujeong Bae, Taeyoung Choi, Taner Esat, Arzhang Ardavan, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz,  Wetenschap 366, 509 (2019)