Einzelatom-Qubits unter dem Mikroskop aufbauen

Unser Team von IBM Research hat einen Durchbruch bei der Kontrolle des Quantenverhaltens einzelner Atome erzielt und einen vielseitigen neuen Baustein für die Quantenberechnung demonstriert.

In dem heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Artikel „Coherent Spin Manipulation of Individual Atoms on a Surface“ demonstrierte unser Team die Verwendung einzelner Atome als Qubits für die Quanteninformationsverarbeitung. Quantenbits oder Qubits sind die grundlegenden Bausteine ​​für die Fähigkeit eines Quantencomputers, Informationen zu verarbeiten.

Dies ist das erste Mal, dass ein Einzelatom-Qubit mit einem Scanning Tunneling Microscope (STM) erreicht wurde, der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten IBM-Erfindung, mit der Atome einzeln betrachtet und bewegt werden können. Dies ist ein wichtiger Durchbruch, da das STM jedes atomare Qubit abbilden und positionieren kann, um die Anordnung benachbarter Qubit-Atome präzise zu steuern. Das Mikroskop arbeitet, indem es die ultrascharfe Nadelspitze in der Nähe einer Oberfläche abtastet, um die Anordnung einzelner Atome zu erfassen, und die Nadelspitze kann Atome in gewünschte Anordnungen ziehen oder tragen.

Co- Autor Dr. Christopher Lutz von IBM Research – Almaden in San Jose, Kalifornien, steht mit dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Mikroskop von IBM, mit dem das erste Einzelatom-Qubit hergestellt wurde. (Stan Olszewski für IBM)

Ein Quantensprung vom Atombit zum Qubit

Die grundlegende Informationseinheit in unseren aktuellen Computern ist ein bisschen. Ein Bit kann nur einen von zwei Werten annehmen:„0“ oder „1“. Der Quanten-Cousin von Bit ist ein Qubit, das einen Quantencomputer antreibt. Zusätzlich zu den Werten „0“ und „1“ kann ein Qubit auch gleichzeitig in einer Kombination von „0“ und „1“ sein. Diese Art von Zustand – teils „0“ und teils „1“ – wird als Superpositionszustand bezeichnet. Solche Zustände sind ein grundlegendes Merkmal der Quantenmechanik, das seit Jahrzehnten bekannt ist und erst seit kurzem in realen Quantencomputern Anwendung findet.

In unseren Experimenten verwenden wir eine Quanteneigenschaft eines Titanatoms namens „Spin“, um ein Qubit darzustellen. Die Spineigenschaft macht jedes Titan magnetisch, sodass es sich wie eine winzige Kompassnadel verhält. Wie ein Magnet an einem Kühlschrank hat jedes Titanatom einen magnetischen Nord- und einen Südpol. Die beiden magnetischen Orientierungen definieren die „0“ oder „1“ eines Qubits. Wir platzierten das Titanatom auf einer speziell ausgewählten Oberfläche, einer ultradünnen Schicht aus Magnesiumoxid, um seinen Magnetismus zu schützen und ihm zu ermöglichen, seine Quantenpersönlichkeit zu zeigen.

Einem Titanatom das Tanzen beibringen

Wie können wir also ein Titanatom in einen ausgewählten Quantensuperpositionszustand bringen? Die Antwort besteht darin, hochfrequente Radiowellen, sogenannte Mikrowellen, auf das Atom anzuwenden. Diese Mikrowellen, die von der Spitze des Mikroskops ausgehen, steuern die magnetische Richtung des Atoms. Wenn sie auf die richtige Frequenz abgestimmt sind, führen diese Mikrowellen das Titanatom zu einem „Quantentanz“, wie in der Abbildung unten gezeigt. Das Atom hält an der Oberfläche still, aber sein magnetischer Nordpol dreht sich schnell herum und endet in der gewünschten Richtung. Dieser Tanz, "Rabi-Oszillation" genannt, ist extrem schnell und dauert nur etwa 20 Nanosekunden, um das Qubit umzudrehen, von der Spitze nach oben auf "0", nach unten auf "1" oder wieder zurück. Am Ende des Tanzes zeigt das Atom in eine entworfene Richtung – eine „0“ oder eine „1“ oder eine Überlagerung, die dazwischen liegt – je nachdem, wie lange wir die Radiowellen anwenden. Der Fachbegriff für diese Schlüsseltechnik lautet gepulste Elektronenspinresonanz, und sie kann jeden gewünschten Überlagerungszustand erzeugen. Wir kontrollieren und beobachten diese Spinrotationen mit der extremen Empfindlichkeit des STM.

Abbildung 1 Künstlerische Darstellung des Quantentanzes eines einzelnen Titanatoms (gelbe Kugel), das auf einer speziell präparierten Oberfläche aus Magnesiumoxid sitzt. Oben im Bild ist die scharfe Nadelspitze des STM zu sehen, die zur kohärenten Steuerung verwendet wird.

Diese Einzelatom-Qubits sind extrem empfindlich gegenüber Magnetfeldern, sodass sie auch als Quantensensoren verwendet werden können, um den subtilen Magnetismus benachbarter Atome zu messen. Wir haben diese Sensibilität genutzt, um Qubits miteinander zu interagieren – oder sich zu verschränken – und ein Zwei-Qubit-Gerät herzustellen. Dies ist ein entscheidender Schritt, um zu verstehen, wie das ultimative Ziel erreicht werden kann, dass viele Qubits interagieren, damit wir die Quantengeschwindigkeit der Rechenleistung gegenüber herkömmlichen Computern nutzen können.

Um ein Zwei-Qubit-Gerät zu bauen, verwenden wir unser Mikroskop, um einzelne Titanatome zu sehen und buchstäblich zu berühren und sie präzise in die gewünschten Atompositionen zu bringen. Auf diese Weise können wir konstruierte Strukturen aufbauen, die aus zwei Atomen in genau ausgewählten Abständen bestehen, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Abbildung 2 Ein Bild von zwei Titanatomen, die nur 1 Nanometer voneinander entfernt angeordnet sind und zur Durchführung komplexer Quantenoperationen verwendet werden.

Wenn wir zwei Kühlschrankmagnete zusammenfügen, ziehen sie sich an oder stoßen sie ab, je nachdem, wie sie gehalten werden. Ähnliches gilt für die beiden Titanatome auf dieser Oberfläche, und die winzige magnetische Kraft zwischen ihnen richtet sie aus, sodass sie in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Der Fachbegriff für diese magnetische Kraft zwischen den beiden Atomen ist die Quantenaustausch-Wechselwirkung.

Aufgrund dieser Quantenwechselwirkung können die beiden Qubits einen Zustand mit Quantenverschränkung bilden. Verschränkte Zustände sind Quantenmuster, bei denen der Zustand eines Qubits direkt mit dem Zustand eines anderen zusammenhängt – so verschränkt, dass es technisch nicht möglich ist, den Zustand eines Atoms zu beschreiben, ohne gleichzeitig das andere zu beschreiben. Diese Eigenschaft der Verschränkung ist der Schlüssel zur Leistungsfähigkeit des Quantencomputings. Wir sind in der Lage, die Eigenschaften dieser Verschränkung zu kontrollieren, indem wir den Abstand zwischen den Atomen anpassen und die Dauer und die Frequenz der Radiowellen wählen, die sie kontrollieren.

Die Kontrolle der Quantensuperposition und -verschränkung durch gepulste Spinresonanz sind nur zwei Beispiele dafür, was wir jetzt untersuchen können. Wenn wir beispielsweise mehr Atome verschränken, könnten wir Theorien darüber testen, was Quantendekohärenz verursacht – wo und wie entsteht sie? Wie kann es reduziert werden? Chemiker könnten die Designs magnetischer Moleküle und künstlicher Quantenmaterialien testen. Dieser Durchbruch bei der Verwendung von gepulster Spinresonanz an Anordnungen von Atomen gibt uns einen analogen Quantensimulator zum Testen einer Vielzahl von quantenmagnetischen Eigenschaften, die zu neuen Computertechniken führen könnten.

Kohärente Spinmanipulation einzelner Atome auf einer Oberfläche, Kai Yang, William Paul, Soo-Hyon Phark, Philip Willke, Yujeong Bae, Taeyoung Choi, Taner Esat, Arzhang Ardavan, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz,  Wissenschaft 366, 509 (2019)