Vårt team på IBM Research gjorde ett genombrott för att kontrollera kvantbeteendet hos enskilda atomer, visar en mångsidig ny byggsten för kvantberäkning.

I tidningen, "Sammanhängande centrifugering av enskilda atomer på en yta, "publiceras idag i tidningen Vetenskap , vårt team demonstrerade användningen av enstaka atomer som qubits för behandling av kvantinformation. Kvantbitar, eller qubits, är de grundläggande byggstenarna för en kvantdators förmåga att behandla information.

Detta är första gången en en-atom qubit har uppnåtts med ett Scanning Tunneling Microscope (STM), Nobelprisvinnande IBM-uppfinning som gör att atomer kan ses och flyttas individuellt. Detta är ett viktigt genombrott eftersom STM kan avbilda och placera varje atomkvbit för att exakt styra arrangemanget av närliggande kvbitatomer. Mikroskopet fungerar genom att skanna den ultrakarpa nålspetsen nära en yta för att känna av arrangemanget av enskilda atomer, och nålspetsen kan dra eller bära atomer till önskade arrangemang.

Ett kvantsprång från atombit till qubit

Den grundläggande informationsenheten i våra nuvarande datorer är lite. En bit kan bara ha ett av två värden:noll eller en. Quantens kusin till bit är en qubit, som driver en kvantdator. Förutom att ha noll och ett värde, en qubit kan också vara i en kombination av noll och en samtidigt. Denna typ av tillstånd - delvis noll och delvis ett - kallas ett superpositionstillstånd. Sådana tillstånd är en grundläggande egenskap hos kvantmekanik som har varit känd i årtionden och som nyligen tas i bruk i riktiga kvantdatorer.

I våra experiment, vi använder en kvantegenskap hos en titanatom som kallas "spin" för att representera en qubit. Spinnegenskapen gör varje titan magnetiskt, så det beter sig som en liten kompassnål. Som en magnet på ett kylskåp, varje titanatom har en nord- och sydmagnetisk pol. De två magnetiska orienteringarna definierar nollan eller en av en qubit. Vi placerade titanatomen på en speciellt utvald yta, ett ultratunt lager av magnesiumoxid, för att skydda sin magnetism och låta den visa upp sin kvantpersonlighet.

Lär en titanatom att dansa

Så, hur kan vi locka en titanatom till ett valt kvantöverlagringsläge? Svaret är att tillämpa högfrekventa radiovågor, kallas mikrovågor, till atomen. Dessa mikrovågor, som kommer från mikroskopets spets, styra atomens magnetiska riktning. När den är inställd på rätt frekvens, dessa mikrovågor leder titanatomen att utföra en "kvantdans, "som visas i figuren nedan. Atomen håller sig kvar på ytan, men dess magnetiska nordpol spiraler snabbt runt, slutar i önskad riktning. Denna dans, kallas "Rabi -oscillation, "är extremt snabb, tar bara cirka 20 nanosekunder att vända qubit, från att peka upp till "0, "att peka ner till en eller tillbaka igen. I slutet av dansen, atomen pekar på en utformad riktning - en nolla eller en eller en superposition som ligger däremellan - beroende på hur länge vi applicerar radiovågorna. Den tekniska termen för denna nyckelteknik är pulserad elektronspinnresonans, och det kan skapa vilket superpositionstillstånd vi vill. Vi kontrollerar och observerar dessa centrifugeringar med hjälp av STM:s extrema känslighet.

Dessa enkla atom qubits är extremt känsliga för magnetfält så att de också kan användas som kvantsensorer för att mäta den subtila magnetismen hos närliggande atomer. Vi använde denna känslighet för att få qubits att interagera-eller trassla-med varandra och skapa en två-qubit-enhet. Detta är ett kritiskt steg mot förståelsen av hur man uppnår det slutliga målet att ha många qubits att interagera så att vi kan dra nytta av kvanthastigheten i processorkraften jämfört med konventionella datorer.

För att bygga en två-qubit enhet, vi använder vårt mikroskop för att se och bokstavligen röra enskilda titanatomer, knuffa dem exakt till önskade atomlägen. Detta gör att vi kan bygga konstruerade strukturer som består av två atomer vid exakt valda avstånd, som visas i figuren nedan.

När vi sätter ihop två kylmagneter, de antingen lockar eller stöter bort beroende på hur de hålls. Liknande fysik gäller för de två titanatomerna på denna yta, och den lilla magnetiska kraften mellan dem justerar dem, så de pekar i motsatta riktningar. Den tekniska termen för denna magnetiska kraft mellan de två atomerna är kvantbytesinteraktionen.

På grund av denna kvantinteraktion, de två qubitsna kan bilda ett tillstånd med kvantinvikling. Trassliga tillstånd är kvantmönster där tillståndet för en qubit är direkt relaterat till tillståndet för en annan - så sammanflätat att det tekniskt inte är möjligt att beskriva tillståndet för en atom utan att samtidigt beskriva den andra. Denna trasselegenskap är nyckeln till kvantberäkningens kraft. Vi kan kontrollera egenskaperna hos denna intrassling genom att justera avståndet mellan atomerna, och genom att välja varaktighet och frekvens för radiovågorna som styr dem.

Kontroll av kvantöverlagring och intrassling genom pulserad spinnresonans är bara två exempel på vad vi nu kan studera. Till exempel, när vi trasslar in fler atomer, vi skulle kunna testa teorier om vad som orsakar kvantdekoherens - var och hur kommer det från? Hur kan det minskas? Kemister kunde testa designen av magnetiska molekyler och konstgjorda kvantmaterial. Detta genombrott av att använda pulserad spinnresonans på arrangemang av atomer ger oss en analog kvantsimulator för att testa en mängd kvantmagnetiska egenskaper som kan leda till nya beräkningstekniker.