Revolucionando computación cuántica: Qubits de un solo átomo controlados por microscopía de túnel de barrido

Nuestro equipo de IBM Research ha logrado un avance histórico en control cuántico, demostrando que átomos individuales pueden servir como qubits fiables para procesamiento de información cuántica.

En el artículo recién publicado "Coherent spin manipulation of individual atoms on a surface," aparecido en la revista Science, reportamos el primer uso exitoso de átomos individuales como qubits. Los bits cuánticos, o qubits, son las unidades fundamentales que permiten el poder de procesamiento sin precedentes de una computadora cuántica.

Este logro marca la primera vez que un qubit de un solo átomo se ha realizado usando un Microscopio de Túnel de Barrido (STM), una invención de IBM que ganó Premio Nobel por su capacidad de imaginar y reposicionar átomos uno a uno. La precisión del STM es crítica porque permite colocar y arreglar cada qubit atómico con precisión nanométrica, dando a investigadores control de grano fino sobre la red de qubits.

Un salto cuántico de bit atómico a qubit

En computadoras convencionales, la unidad básica de datos es un bit, que solo puede sostener "0" o "1". Un qubit, por contraste, puede existir en superposición de ambos estados simultáneamente, propiedad que está en el corazón de la ventaja cuántica. La superposición permite procesadores cuánticos evaluar muchas posibilidades a la vez, acelerando dramáticamente ciertos cálculos.

Nuestros experimentos emplean la propiedad cuántica de spin en un átomo de titanio como encarnación física de un qubit. El spin de un átomo de titanio le dota de un momento magnético minúsculo, análogo a una aguja de brújula miniatura. Las dos orientaciones magnéticas posibles —apuntando norte o sur— definen el "0" o "1" lógico del qubit. Estabilizamos este spin colocando el átomo de titanio en una capa ultradelgada de óxido de magnesio, que protege su momento magnético y preserva coherencia.

Enseñando a un átomo de titanio a bailar

Para dirigir el spin del átomo a una superposición deseada, entregamos pulsos de microondas de alta frecuencia vía la punta STM. Estas microondas actúan como campo de radiofrecuencia resonante que inclina el momento magnético del átomo. Cuando la frecuencia del pulso coincide con la resonancia de spin, el átomo de titanio sufre una precesión rápida —conocida como oscilación de Rabi— completando rotación completa en aproximadamente 20 nanosegundos. Ajustando la duración del pulso, podemos detener la precesión del átomo en cualquier ángulo intermedio, codificando así cualquier estado de superposición que requiramos. Esta técnica, resonancia de spin de electrón pulsado, se monitorea en tiempo real a través de la extraordinaria sensibilidad del STM.

Como estos qubits de un solo átomo son altamente sensibles a campos magnéticos, también funcionan como sensores cuánticos, capaces de detectar interacciones magnéticas minúsculas de átomos cercanos. Aprovechando esta sensibilidad, hemos entrelazado dos qubits de titanio para formar un sistema de dos qubits —paso crucial hacia procesadores cuánticos escalables que dependen de entrelazamiento para aceleración.

Para construir el dispositivo de dos qubits, usamos el STM para manipular los átomos de titanio en posiciones precisamente definidas, logrando espaciado inter-atómico de solo 1 nanómetro. La figura siguiente ilustra esta pareja diseñada.

La interacción magnética entre los dos átomos —conocida como interacción de intercambio cuántico— causa que sus spins se alineen en direcciones opuestas, como dos imanes de nevera. Esta interacción es el mecanismo que permite a los qubits entrelazarse, creando un estado cuántico compartido que no puede describirse independientemente para cada átomo. Podemos afinar el grado de entrelazamiento ajustando el espaciado atómico y parámetros de pulsos de microondas.

Control sobre superposición y entrelazamiento via resonancia de spin pulsado abre avenidas para explorar fenómenos cuánticos fundamentales como decoherencia, así como para probar nuevos materiales cuánticos y moléculas magnéticas. Este avance provee efectivamente un simulador cuántico análogo, ofreciendo plataforma para sondear interacciones magnéticas complejas que podrían informar algoritmos cuánticos de próxima generación.

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)