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

In de krant, "Coherente spinmanipulatie van individuele atomen op een oppervlak, " vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , ons team demonstreerde het gebruik van enkele atomen als qubits voor de verwerking van kwantuminformatie. Kwantumbits, 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 te detecteren, en de naaldpunt kan atomen in gewenste rangschikkingen trekken of dragen.

Een kwantumsprong van atoombit naar qubit

De basiseenheid van informatie in onze huidige computers is een beetje. Een bit kan maar één van twee waarden hebben:nul of één De kwantumneef van bit is een qubit, die een kwantumcomputer aandrijft. Naast nul en één waarden, een qubit kan ook tegelijkertijd in een combinatie van nul en één zijn. Dit soort toestand - deels nul en deels één - wordt een superpositiestaat 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, we gebruiken 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. Als een magneet op een koelkast, elk titaniumatoom heeft een magnetische noord- en zuidpool. De twee magnetische oriëntaties definiëren de nul of één van een qubit. We plaatsten het titaniumatoom op een speciaal gekozen oppervlak, 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 in een gekozen kwantumsuperpositietoestand brengen? Het antwoord is om hoogfrequente radiogolven toe te passen, microgolven genoemd, naar het atoom. Deze magnetrons, afkomstig van de punt van de microscoop, sturen van de magnetische richting van het atoom. Wanneer afgestemd op de juiste frequentie, deze microgolven leiden het titaniumatoom tot het uitvoeren van een "kwantumdans, " zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Het atoom houdt stil aan het oppervlak, maar zijn magnetische noordpool draait snel rond, eindigend in de gewenste richting. Deze dans, genaamd "Rabi-oscillatie, "is extreem snel, het duurt slechts ongeveer 20 nanoseconden om de qubit om te draaien, van wijzend tot "0, " om naar beneden te wijzen of weer terug. Aan het einde van de dans, het atoom wijst naar een ontworpen richting - een nul of een één 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.

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

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

Door deze kwantuminteractie, de twee qubits kunnen een toestand vormen met kwantumverstrengeling. Verstrengelde toestanden zijn kwantumpatronen waarin de toestand van een 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. Bijvoorbeeld, naarmate we meer atomen verstrengelen, we zouden theorieën kunnen testen over wat de oorzaak is van kwantumdecoherentie - 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.