Il nostro team di IBM Research ha fatto un passo avanti nel controllo del comportamento quantistico dei singoli atomi, dimostrando un nuovo e versatile elemento costitutivo per il calcolo quantistico.

Nella carta, "Manipolazione coerente dello spin di singoli atomi su una superficie, " pubblicato oggi sulla rivista Scienza , il nostro team ha dimostrato l'uso di singoli atomi come qubit per l'elaborazione delle informazioni quantistiche. bit quantici, o qubit, sono gli elementi costitutivi fondamentali della capacità di un computer quantistico di elaborare le informazioni.

Questa è la prima volta che un qubit a singolo atomo è stato ottenuto utilizzando un microscopio a effetto tunnel a scansione (STM), l'invenzione IBM, vincitrice del premio Nobel, che consente di visualizzare e spostare gli atomi individualmente. Questa è una svolta importante perché l'STM può visualizzare e posizionare ogni qubit atomico per controllare con precisione la disposizione degli atomi qubit vicini. Il microscopio funziona scansionando la punta dell'ago ultra affilata vicino a una superficie per rilevare la disposizione dei singoli atomi, e la punta dell'ago può tirare o trasportare atomi nelle disposizioni desiderate.

Un salto quantico dal bit atomico al qubit

L'unità di base delle informazioni nei nostri computer attuali è un po'. Un bit può avere solo uno di due valori:zero o uno Il cugino quantistico del bit è un qubit, che alimenta un computer quantistico. Oltre ad avere zero e uno valori, un qubit può anche essere in una combinazione di zero e uno contemporaneamente. Questo tipo di stato, in parte zero e in parte uno, è chiamato stato di sovrapposizione. Tali stati sono una caratteristica fondamentale della meccanica quantistica che è nota da decenni e solo di recente viene utilizzata nei computer quantistici reali.

Nei nostri esperimenti, usiamo una proprietà quantistica di un atomo di titanio chiamata "spin" per rappresentare un qubit. La proprietà di rotazione rende magnetico ogni titanio, quindi si comporta come un minuscolo ago della bussola. Come una calamita su un frigorifero, ogni atomo di titanio ha un polo magnetico nord e sud. I due orientamenti magnetici definiscono lo zero o l'uno di un qubit. Abbiamo posizionato l'atomo di titanio su una superficie appositamente scelta, uno strato ultrasottile di ossido di magnesio, per proteggere il suo magnetismo e consentirgli di mostrare la sua personalità quantistica.

Insegnare a ballare a un atomo di titanio

Così, come possiamo indurre un atomo di titanio in uno stato di sovrapposizione quantistica prescelto? La risposta è applicare onde radio ad alta frequenza, chiamate microonde, all'atomo. Queste microonde, proveniente dalla punta del microscopio, guidare la direzione magnetica dell'atomo. Quando sintonizzato sulla giusta frequenza, queste microonde portano l'atomo di titanio a compiere una "danza quantistica, " come mostrato nella figura sottostante. L'atomo rimane fermo sulla superficie, ma il suo polo nord magnetico gira rapidamente intorno, terminando nella direzione desiderata. questo ballo, chiamato "oscillazione Rabi, " è estremamente veloce, impiegando solo circa 20 nanosecondi per girare il qubit, da puntare verso l'alto a "0, " ad indicare uno o indietro. Alla fine del ballo, l'atomo punta verso una direzione progettata, uno zero o uno o una sovrapposizione che si trova nel mezzo, a seconda di quanto tempo applichiamo le onde radio. Il termine tecnico di questa tecnica chiave è risonanza di spin elettronico pulsato, e può creare qualsiasi stato di sovrapposizione che vogliamo. Controlliamo e osserviamo queste rotazioni di spin usando l'estrema sensibilità dell'STM.

Questi qubit a singolo atomo sono estremamente sensibili ai campi magnetici, quindi possono essere utilizzati anche come sensori quantistici per misurare il sottile magnetismo degli atomi vicini. Abbiamo usato questa sensibilità per far interagire i qubit, o ingarbugliarli, tra loro e creare un dispositivo a due qubit. Questo è un passo fondamentale verso la comprensione di come raggiungere l'obiettivo finale di far interagire molti qubit in modo da poter sfruttare l'accelerazione quantistica nella potenza di elaborazione rispetto ai computer convenzionali.

Per creare un dispositivo a due qubit, usiamo il nostro microscopio per vedere e toccare letteralmente i singoli atomi di titanio, spingendoli con precisione nelle posizioni atomiche desiderate. Questo ci consente di costruire strutture ingegnerizzate costituite da due atomi a spaziature scelte con precisione, come mostrato nella figura sottostante.

Quando uniamo due calamite da frigo, si attraggono o si respingono a seconda di come sono tenuti. Una fisica simile vale per i due atomi di titanio su questa superficie, e la minuscola forza magnetica tra di loro li allinea, quindi puntano in direzioni opposte. Il termine tecnico per questa forza magnetica tra i due atomi è l'interazione di scambio quantistico.

A causa di questa interazione quantistica, i due qubit possono formare uno stato con entanglement quantistico. Gli stati entangled sono modelli quantistici in cui lo stato di un qubit è direttamente correlato allo stato di un altro, così intrecciato che non è tecnicamente possibile descrivere lo stato di un atomo senza descrivere l'altro allo stesso tempo. Questa proprietà dell'entanglement è la chiave della potenza dell'informatica quantistica. Siamo in grado di controllare le proprietà di questo entanglement regolando la distanza tra gli atomi, e scegliendo la durata e la frequenza delle onde radio che le controllano.

Il controllo della sovrapposizione quantistica e dell'entanglement attraverso la risonanza di spin pulsata sono solo due esempi di ciò che ora possiamo studiare. Per esempio, mentre impigliamo più atomi, potremmo testare teorie su cosa causa la decoerenza quantistica:dove e come ha origine? Come si può ridurre? I chimici potrebbero testare i progetti di molecole magnetiche e materiali quantistici artificiali. Questa svolta nell'uso della risonanza di spin pulsata su disposizioni di atomi ci offre un simulatore quantistico analogico per testare una serie di proprietà magnetiche quantistiche che potrebbero portare a nuove tecniche di calcolo.