Construyendo qubits de un solo átomo bajo un microscopio

Nuestro equipo de IBM Research logró un gran avance en el control del comportamiento cuántico de átomos individuales, demostrando un nuevo componente versátil para la computación cuántica.

En el artículo "Manipulación de espín coherente de átomos individuales en una superficie", publicado hoy en la revista Science, nuestro equipo demostró el uso de átomos individuales como qubits para el procesamiento de información cuántica. Los bits cuánticos, o qubits, son los bloques de construcción fundamentales de la capacidad de una computadora cuántica para procesar información.

Esta es la primera vez que se logra un qubit de un solo átomo utilizando un microscopio de túnel de barrido (STM), la invención de IBM ganadora del premio Nobel que permite ver y mover átomos individualmente. Este es un avance importante porque el STM puede obtener imágenes y posicionar cada qubit atómico para controlar con precisión la disposición de los átomos de qubit cercanos. El microscopio funciona escaneando la punta de la aguja ultra afilada cerca de una superficie para detectar la disposición de los átomos individuales, y la punta de la aguja puede tirar o llevar los átomos a la disposición deseada.

Co- el autor, el Dr. Christopher Lutz, de IBM Research - Almaden en San José, California, se alza con el microscopio ganador del premio Nobel de IBM utilizado para lograr el primer qubit de un solo átomo. (Stan Olszewski para IBM)

Un salto cuántico de bit atómico a qubit

La unidad básica de información en nuestras computadoras actuales es un poco. Un bit solo puede tener uno de dos valores:"0" o "1". El primo cuántico del bit es un qubit, que alimenta una computadora cuántica. Además de tener valores "0" y "1", un qubit también puede estar en una combinación de "0" y "1" simultáneamente. Este tipo de estado, en parte "0" y en parte "1", se denomina estado de superposición. Tales estados son una característica fundamental de la mecánica cuántica que se conoce desde hace décadas y solo recientemente se está utilizando en computadoras cuánticas reales.

En nuestros experimentos, usamos una propiedad cuántica de un átomo de titanio llamada "espín" para representar un qubit. La propiedad de giro hace que cada titanio sea magnético, por lo que se comporta como una pequeña aguja de brújula. Como un imán en un refrigerador, cada átomo de titanio tiene un polo magnético norte y sur. Las dos orientaciones magnéticas definen el "0" o el "1" de un qubit. Colocamos el átomo de titanio en una superficie especialmente elegida, una capa ultrafina de óxido de magnesio, para proteger su magnetismo y permitirle mostrar su personalidad cuántica.

Enseñar a bailar a un átomo de titanio

Entonces, ¿cómo podemos convencer a un átomo de titanio a un estado de superposición cuántica elegido? La respuesta es aplicar ondas de radio de alta frecuencia, llamadas microondas, al átomo. Estas microondas, que emanan de la punta del microscopio, dirigen la dirección magnética del átomo. Cuando se sintonizan con la frecuencia correcta, estas microondas llevan al átomo de titanio a realizar una "danza cuántica", como se muestra en la figura siguiente. El átomo se mantiene quieto en la superficie, pero su polo norte magnético gira rápidamente en espiral, terminando en la dirección deseada. Este baile, llamado “oscilación Rabi”, es extremadamente rápido, y toma solo unos 20 nanosegundos para girar el qubit, desde apuntar hacia arriba al “0” a apuntar hacia abajo al “1” o hacia atrás nuevamente. Al final de la danza, el átomo apunta a una dirección diseñada — un "0" o un "1" o una superposición que se encuentra en el medio, dependiendo de cuánto tiempo apliquemos las ondas de radio. El término técnico de esta técnica clave es resonancia de espín de electrones pulsados, y puede crear cualquier estado de superposición que queramos. Controlamos y observamos estas rotaciones de giro utilizando la extrema sensibilidad del STM.

Figura 1 La vista de un artista de la danza cuántica de un solo átomo de titanio (bola amarilla) sentado sobre una superficie especialmente preparada de óxido de magnesio. La parte superior de la imagen muestra la punta de la aguja afilada del STM, que se utiliza para realizar un control coherente.

Estos qubits de un solo átomo son extremadamente sensibles a los campos magnéticos, por lo que también se pueden usar como sensores cuánticos para medir el magnetismo sutil de los átomos cercanos. Usamos esta sensibilidad para hacer que los qubits interactúen, o se entrelacen, entre sí y hagan un dispositivo de dos qubits. Este es un paso crítico hacia la comprensión de cómo lograr el objetivo final de tener muchos qubits interactuando para que podamos aprovechar la aceleración cuántica en la potencia de procesamiento sobre las computadoras convencionales.

Para construir un dispositivo de dos qubits, empleamos nuestro microscopio para ver y tocar literalmente átomos de titanio individuales, empujándolos con precisión a las posiciones atómicas deseadas. Esto nos permite construir estructuras de ingeniería que constan de dos átomos en espaciamientos elegidos con precisión, como se muestra en la siguiente figura.

Figura 2 .Una imagen de dos átomos de titanio colocados a solo 1 nanómetro de distancia y que se utilizan para realizar operaciones cuánticas complejas.

Cuando juntamos dos imanes de nevera, se atraen o se repelen dependiendo de cómo se sujeten. Física similar es válida para los dos átomos de titanio en esta superficie, y la pequeña fuerza magnética entre ellos los alinea, por lo que apuntan en direcciones opuestas. El término técnico para esta fuerza magnética entre los dos átomos es la interacción de intercambio cuántico.

Debido a esta interacción cuántica, los dos qubits pueden formar un estado con entrelazamiento cuántico. Los estados entrelazados son patrones cuánticos en los que el estado de un qubit está directamente relacionado con el estado de otro, tan entrelazados que técnicamente no es posible describir el estado de un átomo sin describir el otro al mismo tiempo. Esta propiedad del entrelazamiento es la clave del poder de la computación cuántica. Podemos controlar las propiedades de este entrelazamiento ajustando la distancia entre los átomos y eligiendo la duración y la frecuencia de las ondas de radio que los controlan.

Controlar la superposición cuántica y el entrelazamiento a través de la resonancia de espín pulsado son solo dos ejemplos de lo que ahora podemos estudiar. Por ejemplo, a medida que entrelazamos más átomos, podríamos probar teorías sobre las causas de la decoherencia cuántica:¿dónde y cómo se origina? ¿Cómo se puede reducir? Los químicos podrían probar los diseños de moléculas magnéticas y materiales cuánticos artificiales. Este avance del uso de resonancia de espín pulsado en arreglos de átomos nos da un simulador cuántico analógico para probar una serie de propiedades magnéticas cuánticas que podrían conducir a nuevas técnicas de computación.

Manipulación de espín coherente de átomos individuales en una superficie, Kai Yang, William Paul, Soo-Hyon Phark, Philip Willke, Yujeong Bae, Taeyoung Choi, Taner Esat, Arzhang Ardavan, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz, Ciencia 366, 509 (2019)