Создание одноатомных кубитов под микроскопом

Наша команда из IBM Research совершила прорыв в управлении квантовым поведением отдельных атомов, продемонстрировав новый универсальный строительный блок для квантовых вычислений.

В статье «Когерентное манипулирование спинами отдельных атомов на поверхности», опубликованной сегодня в журнале Science, наша команда продемонстрировала использование отдельных атомов в качестве кубитов для обработки квантовой информации. Квантовые биты или кубиты - это фундаментальные строительные блоки способности квантового компьютера обрабатывать информацию.

Это первый раз, когда одноатомный кубит был получен с помощью сканирующего туннельного микроскопа (STM), изобретения IBM, получившего Нобелевскую премию, которое позволяет просматривать и перемещать атомы по отдельности. Это важный прорыв, потому что СТМ может отображать и позиционировать каждый атомный кубит, чтобы точно контролировать расположение соседних атомов кубита. Микроскоп работает, сканируя сверхострый кончик иглы возле поверхности, чтобы определить расположение отдельных атомов, а кончик иглы может тянуть или переносить атомы в желаемое расположение.

Со- Автор доктор Кристофер Лутц из IBM Research - Almaden в Сан-Хосе, Калифорния, стоит с микроскопом IBM, получившим Нобелевскую премию, который использовался для создания первого одноатомного кубита. (Стэн Ольшевски из IBM)

Качественный скачок от атомного бита к кубиту

Базовая единица информации в наших современных компьютерах - это бит. Бит может иметь только одно из двух значений:«0» или «1». Квантовый родственник бита - кубит, на котором работает квантовый компьютер. Помимо значений «0» и «1», кубит также может одновременно находиться в комбинации «0» и «1». Такое состояние - частично «0» и частично «1» - называется состоянием суперпозиции. Такие состояния являются фундаментальной характеристикой квантовой механики, которая была известна на протяжении десятилетий и только недавно была использована в реальных квантовых компьютерах.

В наших экспериментах мы используем квантовое свойство атома титана, называемое «спином», для представления одного кубита. Свойство вращения делает каждый титан магнитным, поэтому он ведет себя как крошечная стрелка компаса. Как магнит на холодильнике, каждый атом титана имеет северный и южный магнитные полюса. Две магнитные ориентации определяют «0» или «1» кубита. Мы поместили атом титана на специально выбранную поверхность, ультратонкий слой оксида магния, чтобы защитить его магнетизм и позволить ему продемонстрировать свою квантовую индивидуальность.

Обучение танцу атома титана

Итак, как мы можем уговорить атом титана перейти в выбранное состояние квантовой суперпозиции? Ответ заключается в применении к атому высокочастотных радиоволн, называемых микроволнами. Эти микроволны, исходящие от наконечника микроскопа, определяют магнитное направление атома. При настройке на правильную частоту эти микроволны заставляют атом титана выполнять «квантовый танец», как показано на рисунке ниже. Атом остается на поверхности, но его северный магнитный полюс быстро вращается по спирали, заканчиваясь в желаемом направлении. Этот танец, называемый «осцилляцией Раби», является чрезвычайно быстрым, требуется всего около 20 наносекунд, чтобы повернуть кубит от направления вверх до «0», до направления вниз до «1» или обратно. В конце танца атом указывает на заданное направление - «0» или «1» или суперпозицию, которая находится между ними - в зависимости от того, как долго мы применяем радиоволны. Технический термин этого ключевого метода - импульсный электронный спиновой резонанс, и он может создавать любое состояние суперпозиции, которое мы захотим. Мы контролируем и наблюдаем эти вращения, используя исключительную чувствительность STM.

Рисунок 1. Взгляд художника на квантовый танец одиночного атома титана (желтый шар), сидящего на специально подготовленной поверхности из оксида магния. Вверху изображения показан острый кончик иглы STM, который используется для когерентного управления.

Эти одноатомные кубиты чрезвычайно чувствительны к магнитным полям, поэтому их также можно использовать в качестве квантовых датчиков для измерения тонкого магнетизма близлежащих атомов. Мы использовали эту чувствительность, чтобы кубиты взаимодействовали - или сцеплялись - друг с другом и создавали двухкубитное устройство. Это важный шаг на пути к пониманию того, как достичь конечной цели взаимодействия множества кубитов, чтобы мы могли воспользоваться преимуществом квантового ускорения вычислительной мощности по сравнению с обычными компьютерами.

Чтобы создать устройство с двумя кубитами, мы используем наш микроскоп, чтобы видеть и буквально касаться отдельных атомов титана, подталкивая их точно в желаемые атомные позиции. Это позволяет нам создавать инженерные структуры, состоящие из двух атомов на точно выбранных расстояниях, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 2. . Изображение двух атомов титана, расположенных на расстоянии всего 1 нанометра друг от друга и используемых для выполнения сложных квантовых операций.

Когда мы соединяем два магнита на холодильник, они либо притягиваются, либо отталкиваются, в зависимости от того, как их держать. Аналогичная физика имеет место для двух атомов титана на этой поверхности, и крошечная магнитная сила между ними выравнивает их, поэтому они указывают в противоположных направлениях. Технический термин для этой магнитной силы между двумя атомами - квантовое обменное взаимодействие.

Из-за этого квантового взаимодействия два кубита могут образовывать состояние, имеющее квантовую запутанность. Запутанные состояния - это квантовые паттерны, в которых состояние одного кубита напрямую связано с состоянием другого - настолько переплетено, что технически невозможно описать состояние одного атома, не описывая одновременно другой. Это свойство запутанности - ключ к мощи квантовых вычислений. Мы можем управлять свойствами этого зацепления, регулируя расстояние между атомами и выбирая продолжительность и частоту управляющих ими радиоволн.

Управление квантовой суперпозицией и запутыванием посредством импульсного спинового резонанса - это всего лишь два примера того, что мы теперь можем изучать. Например, по мере того, как мы запутываем больше атомов, мы могли бы проверить теории о том, что вызывает квантовую декогеренцию - где и как она возникает? Как его уменьшить? Химики могли проверить конструкции магнитных молекул и искусственных квантовых материалов. Этот прорыв в использовании импульсного спинового резонанса для расположения атомов дает нам аналоговый квантовый симулятор для проверки множества квантовых магнитных свойств, которые могут привести к новым вычислительным методам.

Когерентное манипулирование спинами отдельных атомов на поверхности, Кай Ян, Уильям Пол, Су-Хён Фарк, Филип Уиллке, Юджон Бэ, Тэён Чой, Танер Эсат, Арчанг Ардаван, Андреас Дж. Генрих, Кристофер П. Лутц, Наука 366, 509 (2019)