Quantencomputing Revolutionieren: Einzelatom-Qubits Gesteuert Durch Rastertunnelmikroskopie

Unser IBM Research Team hat einen bahnbrechenden Durchbruch in Quantenkontrolle erzielt, demonstrierend, dass einzelne Atome als zuverlässige Qubits für Quanteninformationsverarbeitung dienen können.

Im neu veröffentlichten Paper „Coherent spin manipulation of individual atoms on a surface“, erscheinend im Journal Science, berichten wir über die erste erfolgreiche Nutzung einzelner Atome als Qubits. Quantum Bits, oder Qubits, sind die fundamentalen Einheiten, die einem Quantencomputer seine beispiellose Verarbeitungsleistung ermöglichen.

Dieser Achievement markiert das erste Mal, dass ein Einzelatom-Qubit mittels Rastertunnelmikroskop (STM) realisiert wurde, einer IBM-Erfindung, die einen Nobelpreis für ihre Fähigkeit erhielt, Atome einzeln zu bildgeben und zu repositionieren. Die STM-Präzision ist kritisch, da sie erlaubt, jedes atomare Qubit mit Nanometer-Genauigkeit zu platzieren und anzuordnen, was Forschern feinkörnige Kontrolle über das Qubit-Netzwerk gibt.

Ein Quantensprung Vom Atomaren Bit Zum Qubit

In konventionellen Computern ist die Basis-Dateneinheit ein Bit, das nur „0“ oder „1“ halten kann. Ein Qubit kann hingegen in Superposition beider Zustände simultan existieren, eine Eigenschaft, die im Herzen des Quanten-Vorteils liegt. Die Superposition erlaubt Quantenprozessoren, viele Möglichkeiten gleichzeitig zu evaluieren, bestimmte Berechnungen dramatisch zu beschleunigen.

Unsere Experimente nutzen die Quanteneigenschaft Spin in einem Titan-Atom als physische Verkörperung eines Qubits. Ein Titan-Atoms Spin verleiht ihm ein winziges magnetisches Moment, analog zu einer Miniatur-Kompassnadel. Die zwei möglichen magnetischen Orientierungen – nord-weisend oder süd-weisend – definieren das logische „0“ oder „1“ des Qubits. Wir stabilisieren diesen Spin, indem wir das Titan-Atom auf einer ultradünnen Magnesiumoxid-Schicht platzieren, die sein magnetisches Moment schützt und Kohärenz bewahrt.

Einem Titan-Atom Das Tanzen Beibringen

Um den Atoms Spin in eine gewünschte Superposition zu steuern, liefern wir Hochfrequenz-Mikrowellenpulse via STM-Spitze. Diese Mikrowellen wirken wie ein resonantes Radiofrequenz-Feld, das das magnetische Moment des Atoms kippt. Wenn die Pulsfrequenz der Spin-Resonanz matcht, durchläuft das Titan-Atom eine rasche Präzession – bekannt als Rabi-Oszillation – und vollendet eine volle Rotation in grob 20 Nanosekunden. Durch Anpassen der Pulsdauer können wir die Präzession des Atoms an jedem intermediären Winkel stoppen, thereby encoding jede gewünschte Superpositionszustand. Diese Technik, gepulste Elektron-Spin-Resonanz, wird in Echtzeit durch die STMs außerordentliche Sensitivität monitoriert.

Da diese Einzelatom-Qubits hochsensitiv auf Magnetfelder sind, fungieren sie auch als Quantensensoren, fähig, minute magnetische Interaktionen von benachbarten Atomen zu detektieren. Nutzen diese Sensitivität, haben wir zwei Titan-Qubits zu einem Zwei-Qubit-System verschränkt – ein entscheidender Schritt zu skalierbaren Quantenprozessoren, die auf Verschränkung für Speed-up relies.

Zur Konstruktion des Zwei-Qubit-Devices nutzen wir das STM, um die Titan-Atome in präzise definierte Positionen zu manipulieren, erreichend einen inter-atomaren Abstand von nur 1 Nanometer. Die Abbildung unten illustriert dieses engineered Paar.

Die magnetische Interaktion zwischen den zwei Atomen – bekannt als Quantum Exchange Interaction – verursacht, dass ihre Spins sich in entgegengesetzte Richtungen alignieren, sehr ähnlich wie zwei Kühlschrankmagnete. Diese Interaktion ist der Mechanismus, der es den Qubits erlaubt, verschränkt zu werden, ein shared Quantenzustand erzeugend, der nicht unabhängig für jedes Atom beschrieben werden kann. Wir können den Grad der Verschränkung feinjustieren durch Anpassen des atomaren Abstands und der Mikrowellenpuls-Parameter.

Kontrolle über Superposition und Verschränkung via gepulste Spin-Resonanz eröffnet Avenues für Erkundung fundamentaler Quantenphänomene wie Dekohärenz, sowie für Test neuartiger Quantenmaterialien und magnetischer Moleküle. Dieser Durchbruch stellt effektiv einen analogen Quantensimulator bereit, der eine Plattform bietet, komplexe magnetische Interaktionen zu sondieren, die Next-Gen-Quantenalgorithmen informieren könnten.

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)