Co-auteur Dr. Christopher Lutz d'IBM Research - Almaden à San Jose, La Californie se tient avec le microscope lauréat du prix Nobel d'IBM utilisé pour obtenir le premier qubit à un seul atome. Crédit :Stan Olszewski pour IBM
Notre équipe d'IBM Research a réalisé une percée dans le contrôle du comportement quantique des atomes individuels, démontrant un nouveau bloc de construction polyvalent pour le calcul quantique.
Dans le journal, "Manipulation de spin cohérente d'atomes individuels sur une surface, " publié aujourd'hui dans la revue Science , notre équipe a démontré l'utilisation d'atomes uniques comme qubits pour le traitement de l'information quantique. Bits quantiques, ou qubits, sont les éléments fondamentaux de la capacité d'un ordinateur quantique à traiter l'information.
C'est la première fois qu'un qubit à un seul atome est obtenu à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM), l'invention d'IBM, lauréate du prix Nobel, qui permet de visualiser et de déplacer les atomes individuellement. Il s'agit d'une percée importante car le STM peut imager et positionner chaque qubit atomique pour contrôler avec précision la disposition des atomes de qubit à proximité. Le microscope fonctionne en balayant la pointe de l'aiguille ultra-pointue près d'une surface pour détecter l'arrangement des atomes individuels, et la pointe de l'aiguille peut tirer ou transporter des atomes dans les arrangements souhaités.
Un saut quantique du bit atomique au qubit
L'unité d'information de base dans nos ordinateurs actuels est un peu. Un bit ne peut avoir qu'une des deux valeurs :zéro ou un Le cousin quantique de bit est un qubit, qui alimente un ordinateur quantique. En plus d'avoir des valeurs zéro et un, un qubit peut également être dans une combinaison de zéro et un simultanément. Ce type d'état - en partie zéro et en partie un - est appelé état de superposition. De tels états sont une caractéristique fondamentale de la mécanique quantique qui est connue depuis des décennies et n'est utilisée que récemment dans de vrais ordinateurs quantiques.
Dans nos expériences, nous utilisons une propriété quantique d'un atome de titane appelée "spin" pour représenter un qubit. La propriété de spin rend chaque titane magnétique, il se comporte donc comme une minuscule aiguille de boussole. Comme un aimant sur un réfrigérateur, chaque atome de titane a un pôle magnétique nord et sud. Les deux orientations magnétiques définissent le zéro ou l'un d'un qubit. Nous avons placé l'atome de titane sur une surface spécialement choisie, une couche ultra-mince d'oxyde de magnésium, pour protéger son magnétisme et lui permettre de montrer sa personnalité quantique.
Figure 1 :Vue d'artiste de la danse quantique d'un seul atome de titane (boule jaune) posé sur une surface d'oxyde de magnésium spécialement préparée. Le haut de l'image montre la pointe pointue de l'aiguille de la STM, qui est utilisé pour effectuer un contrôle cohérent. Crédit :IBM
Apprendre à danser à un atome de titane
Donc, comment pouvons-nous amadouer un atome de titane dans un état de superposition quantique choisi ? La réponse est d'appliquer des ondes radio à haute fréquence, appelés micro-ondes, à l'atome. Ces micro-ondes, émanant de la pointe du microscope, diriger la direction magnétique de l'atome. Lorsqu'il est réglé sur la bonne fréquence, ces micro-ondes conduisent l'atome de titane à effectuer une "danse quantique, " comme le montre la figure ci-dessous. L'atome reste immobile à la surface, mais son pôle nord magnétique tourne rapidement en spirale, finissant dans la direction souhaitée. Cette danse, appelé "Rabi oscillation, " est extrêmement rapide, ne prenant qu'environ 20 nanosecondes pour inverser le qubit, de pointer jusqu'à "0, " pour pointer vers le bas ou vers l'arrière. A la fin de la danse, l'atome pointe vers une direction désignée - un zéro ou un un ou une superposition qui se situe entre les deux - en fonction de la durée pendant laquelle nous appliquons les ondes radio. Le terme technique de cette technique clé est la résonance de spin électronique pulsée, et il peut créer n'importe quel état de superposition que nous voulons. Nous contrôlons et observons ces rotations de spin grâce à l'extrême sensibilité du STM.
Ces qubits à un seul atome sont extrêmement sensibles aux champs magnétiques, ils peuvent donc également être utilisés comme capteurs quantiques pour mesurer le magnétisme subtil des atomes proches. Nous avons utilisé cette sensibilité pour faire interagir les qubits (ou s'entremêler) les uns avec les autres et créer un périphérique à deux qubits. Il s'agit d'une étape critique vers la compréhension de la façon d'atteindre l'objectif ultime d'avoir de nombreux qubits interagir afin que nous puissions profiter de l'accélération quantique de la puissance de traitement par rapport aux ordinateurs conventionnels.
Pour créer un périphérique à deux qubits, nous utilisons notre microscope pour voir et toucher littéralement des atomes de titane individuels, en les poussant précisément dans les positions atomiques souhaitées. Cela nous permet de construire des structures d'ingénierie composées de deux atomes à des espacements choisis avec précision, comme le montre la figure ci-dessous.
Figure 2:. Une image de deux atomes de titane positionnés à seulement 1 nanomètre l'un de l'autre et utilisés pour effectuer des opérations quantiques complexes. Crédit :IBM
Lorsque nous assemblons deux aimants pour réfrigérateur, ils attirent ou repoussent selon la façon dont ils sont tenus. Une physique similaire vaut pour les deux atomes de titane sur cette surface, et la petite force magnétique entre eux les aligne, donc ils pointent dans des directions opposées. Le terme technique pour cette force magnétique entre les deux atomes est l'interaction d'échange quantique.
En raison de cette interaction quantique, les deux qubits peuvent former un état ayant une intrication quantique. Les états intriqués sont des modèles quantiques dans lesquels l'état d'un qubit est directement lié à l'état d'un autre – si étroitement liés qu'il n'est techniquement pas possible de décrire l'état d'un atome sans décrire l'autre en même temps. Cette propriété d'intrication est la clé de la puissance de l'informatique quantique. Nous sommes capables de contrôler les propriétés de cet enchevêtrement en ajustant la distance entre les atomes, et en choisissant la durée et la fréquence des ondes radio qui les contrôlent.
Le contrôle de la superposition quantique et de l'intrication par résonance de spin pulsée ne sont que deux exemples de ce que nous pouvons maintenant étudier. Par exemple, à mesure que nous enchevêtrons plus d'atomes, nous pourrions tester des théories sur les causes de la décohérence quantique - d'où et comment provient-elle ? Comment peut-il être réduit ? Les chimistes pourraient tester les conceptions de molécules magnétiques et de matériaux quantiques artificiels. Cette percée de l'utilisation de la résonance de spin pulsée sur les arrangements d'atomes nous donne un simulateur quantique analogique pour tester une multitude de propriétés magnétiques quantiques qui pourraient conduire à de nouvelles techniques informatiques.
