Революция в квантовых вычислениях: кубиты из одиночных атомов под управлением сканирующего туннельного микроскопа

Наша команда IBM Research достигла прорыва в квантовом управлении, продемонстрировав, что отдельные атомы могут служить надежными кубитами для квантовой обработки информации.

В недавно опубликованной работе «Когерентное манипулирование спином отдельных атомов на поверхности» в журнале Science мы сообщаем о первом успешном использовании одиночных атомов как кубитов. Квантовые биты, или кубиты — базовые единицы, обеспечивающие беспрецедентную вычислительную мощь квантового компьютера.

Это достижение стало первым случаем реализации кубита из одиночного атома с использованием сканирующего туннельного микроскопа (STM), изобретения IBM, удостоенного Нобелевской премии за способность визуализировать и репозиционировать атомы по одному. Точность STM критична: она позволяет размещать и упорядочивать каждый атомный кубит с нанометровой точностью, давая исследователям тонкое управление сетью кубитов.

Соавтор д-р Кристофер Лутц из IBM Research – Almaden в Сан-Хосе стоит рядом с нобелевским микроскопом IBM, использованным для создания первого кубита из одиночного атома. (Стэн Олшевски для IBM)

Квантовый скачок: от атомного бита к кубиту

В обычных компьютерах базовая единица данных — бит, хранящий только «0» или «1». Кубит, напротив, может существовать в суперпозиции обоих состояний одновременно — свойство, лежащее в основе квантового преимущества. Суперпозиция позволяет квантовым процессорам оценивать множество вариантов сразу, драматически ускоряя определенные вычисления.

В наших экспериментах квантовое свойство спина титанового атома используется как физическое воплощение кубита. Спин титанового атома наделяет его крошечным магнитным моментом, аналогичным миниатюрной стрелке компаса. Две возможные магнитные ориентации — на север или на юг — определяют логические «0» или «1» кубита. Мы стабилизируем этот спин, помещая титановый атом на ультратонкий слой оксида магния, который защищает его магнитный момент и сохраняет когерентность.

Уча титановый атом танцевать

Для управления спином атома в желаемую суперпозицию мы подаем высокочастотные микроволновые импульсы через наконечник STM. Эти микроволны действуют как резонансное радиочастотное поле, наклоняющее магнитный момент атома. Когда частота импульса совпадает с резонансом спина, титановый атом претерпевает быструю прецессию — известную как рабиевская осцилляция — завершая полный оборот примерно за 20 наносекунд. Регулируя длительность импульса, мы можем остановить прецессию атома в любом промежуточном угле, тем самым кодируя любую требуемую суперпозицию. Этот метод, импульсный электронно-спиновый резонанс, мониторится в реальном времени благодаря необычайной чувствительности STM.

Рисунок 1. Художественный рендеринг квантового танца одиночного титанового атома над поверхностью оксида магния, управляемого микроволновым полем наконечника STM.

Поскольку эти кубиты из одиночных атомов высоко чувствительны к магнитным полям, они также функционируют как квантовые сенсоры, способные детектировать минимальные магнитные взаимодействия от соседних атомов. Используя эту чувствительность, мы запутали два титановых кубита в двухкубитную систему — решающий шаг к масштабируемым квантовым процессорам, полагающимся на запутанность для ускорения.

Для построения двухкубитного устройства мы используем STM для манипулирования титановыми атомами в точно определенные позиции, достигая межатомного расстояния всего 1 нанометр. На рисунке ниже изображен этот спроектированный парный атом.

Рисунок 2. Два титановых атома, позиционированные на расстоянии 1 нм, позволяющие контролируемые квантовые операции.

Магнитное взаимодействие между двумя атомами — известное как квантовое обменное взаимодействие — заставляет их спины ориентироваться в противоположных направлениях, как два магнита на холодильнике. Это взаимодействие — механизм, позволяющий кубитам запутаться, создавая общее квантовое состояние, неописуемое независимо для каждого атома. Мы можем тонко настраивать степень запутанности, варьируя межатомное расстояние и параметры микроволновых импульсов.

Управление суперпозицией и запутанностью через импульсный спиновый резонанс открывает пути для исследования фундаментальных квантовых феноменов, таких как декогеренция, а также для тестирования новых квантовых материалов и магнитных молекул. Этот прорыв фактически предоставляет аналоговый квантовый симулятор, предлагая платформу для изучения сложных магнитных взаимодействий, которые могут информировать алгоритмы следующего поколения.

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)