Construindo qubits de átomo único sob um microscópio

Nossa equipe na IBM Research fez uma inovação no controle do comportamento quântico de átomos individuais, demonstrando um novo bloco de construção versátil para computação quântica.

No artigo “Manipulação de spin coerente de átomos individuais em uma superfície”, publicado hoje na revista Science, nossa equipe demonstrou o uso de átomos individuais como qubits para processamento de informação quântica. Os bits quânticos, ou qubits, são os blocos de construção fundamentais da capacidade de um computador quântico de processar informações.

Esta é a primeira vez que um qubit de átomo único foi obtido usando um Microscópio de Túnel de Varredura (STM), a invenção da IBM ganhadora do Prêmio Nobel que permite que os átomos sejam visualizados e movidos individualmente. Este é um avanço importante porque o STM pode criar imagens e posicionar cada qubit atômico para controlar com precisão o arranjo dos átomos de qubit próximos. O microscópio funciona escaneando a ponta da agulha ultra-afiada perto de uma superfície para detectar o arranjo de átomos individuais, e a ponta da agulha pode puxar ou transportar átomos para os arranjos desejados.

Co- o autor, Dr. Christopher Lutz, da IBM Research - Almaden em San Jose, Califórnia, está com o microscópio vencedor do prêmio Nobel da IBM usado para obter o primeiro qubit de átomo único. (Stan Olszewski para IBM)

Um salto quântico do bit atômico para o qubit

A unidade básica de informação em nossos computadores atuais é um pouco. Um bit pode ter apenas um de dois valores:“0” ou “1”. O primo quântico do bit é um qubit, que alimenta um computador quântico. Além de ter valores “0” e “1”, um qubit também pode estar em uma combinação de “0” e “1” simultaneamente. Este tipo de estado - parcialmente “0” e parcialmente “1” - é chamado de estado de superposição. Esses estados são uma característica fundamental da mecânica quântica que é conhecida há décadas e só recentemente está sendo colocada em uso em computadores quânticos reais.

Em nossos experimentos, usamos uma propriedade quântica de um átomo de titânio chamado “spin” para representar um qubit. A propriedade de spin torna cada titânio magnético, então ele se comporta como uma minúscula agulha de bússola. Como um ímã em uma geladeira, cada átomo de titânio tem um pólo magnético norte e sul. As duas orientações magnéticas definem o “0” ou “1” de um qubit. Colocamos o átomo de titânio em uma superfície especialmente escolhida, uma camada ultrafina de óxido de magnésio, para proteger seu magnetismo e permitir que ele exiba sua personalidade quântica.

Ensinar um átomo de titânio a dançar

Então, como podemos induzir um átomo de titânio a um estado de superposição quântica escolhido? A resposta é aplicar ondas de rádio de alta frequência, chamadas de microondas, ao átomo. Essas microondas, emanando da ponta do microscópio, orientam a direção magnética do átomo. Quando sintonizadas na frequência certa, essas microondas conduzem o átomo de titânio a realizar uma “dança quântica”, conforme mostrado na figura abaixo. O átomo fica parado na superfície, mas seu pólo norte magnético gira rapidamente, terminando na direção desejada. Essa dança, chamada de “oscilação de Rabi”, é extremamente rápida, levando apenas cerca de 20 nanossegundos para girar o qubit, de apontar para cima para “0”, para apontar para baixo para “1” ou voltar novamente. No final da dança, o átomo aponta para uma direção projetada - um "0" ou um "1" ou uma superposição intermediária - dependendo de quanto tempo aplicamos as ondas de rádio. O termo técnico desta técnica-chave é ressonância de spin de elétron pulsado e pode criar qualquer estado de superposição que desejarmos. Nós controlamos e observamos essas rotações de rotação usando a extrema sensibilidade do STM.

Figura 1 A visão de um artista da dança quântica de um único átomo de titânio (bola amarela) sobre uma superfície especialmente preparada de óxido de magnésio. A parte superior da imagem mostra a ponta afiada da agulha do STM, que é usada para realizar um controle coerente.

Esses qubits de átomo único são extremamente sensíveis a campos magnéticos, portanto, também podem ser usados ​​como sensores quânticos para medir o magnetismo sutil de átomos próximos. Usamos essa sensibilidade para fazer os qubits interagir - ou se enredar - uns com os outros e fazer um dispositivo de dois qubits. Este é um passo crítico para a compreensão de como atingir o objetivo final de ter muitos qubits interagindo para que possamos aproveitar a aceleração quântica no poder de processamento sobre os computadores convencionais.

Para construir um dispositivo de dois qubit, empregamos nosso microscópio para ver e literalmente tocar átomos de titânio individuais, empurrando-os precisamente para as posições atômicas desejadas. Isso nos permite construir estruturas de engenharia que consistem em dois átomos em espaçamentos precisamente escolhidos, como mostrado na figura abaixo.

Figura 2 Uma imagem de dois átomos de titânio posicionados a apenas 1 nanômetro de distância e usados ​​para realizar operações quânticas complexas.

Quando colocamos dois ímãs de geladeira juntos, eles se atraem ou se repelem dependendo de como são mantidos. Física semelhante vale para os dois átomos de titânio nesta superfície, e a minúscula força magnética entre eles os alinha, de modo que apontam em direções opostas. O termo técnico para essa força magnética entre os dois átomos é a interação de troca quântica.

Devido a essa interação quântica, os dois qubits podem formar um estado com emaranhamento quântico. Estados emaranhados são padrões quânticos nos quais o estado de um qubit está diretamente relacionado ao estado de outro - tão entrelaçado que é tecnicamente impossível descrever o estado de um átomo sem descrever o outro ao mesmo tempo. Essa propriedade de emaranhamento é a chave do poder da computação quântica. Somos capazes de controlar as propriedades desse emaranhamento ajustando a distância entre os átomos e escolhendo a duração e a frequência das ondas de rádio que os controlam.

O controle da superposição quântica e do emaranhamento por meio da ressonância de spin pulsado são apenas dois exemplos do que podemos estudar agora. Por exemplo, à medida que enredamos mais átomos, poderíamos testar teorias sobre o que causa a decoerência quântica - onde e como ela se origina? Como pode ser reduzido? Os químicos poderiam testar os projetos de moléculas magnéticas e materiais quânticos artificiais. Esta descoberta de usar ressonância de spin pulsado em arranjos de átomos nos dá um simulador quântico analógico para testar uma série de propriedades magnéticas quânticas que podem levar a novas técnicas de computação.


Manipulação de spin coerente de átomos individuais em uma superfície, Kai Yang, William Paul, Soo-Hyon Phark, Philip Willke, Yujeong Bae, Taeyoung Choi, Taner Esat, Arzhang Ardavan, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz, Ciência 366, 509 (2019)