Nossa equipe na IBM Research fez uma descoberta no controle do comportamento quântico de átomos individuais, demonstrando um novo bloco de construção versátil para computação quântica.

No papel, "Manipulação de spin coerente de átomos individuais em uma superfície, "publicado hoje no jornal Ciência , nossa equipe demonstrou o uso de átomos individuais como qubits para processamento de informações quânticas. Bits quânticos, ou qubits, são os blocos de construção fundamentais da capacidade de um computador quântico de processar informações.

Esta é a primeira vez que um qubit de átomo único foi alcançado usando um microscópio de varredura de túnel (STM), a invenção da IBM, ganhadora do Prêmio Nobel, que permite que os átomos sejam vistos e movidos individualmente. Este é um avanço importante porque o STM pode criar imagens e posicionar cada qubit atômico para controlar com precisão o arranjo dos átomos de qubit próximos. O microscópio funciona escaneando a ponta da agulha ultra-afiada perto de uma superfície para detectar o arranjo de átomos individuais, e a ponta da agulha pode puxar ou transportar átomos em arranjos desejados.

Um salto quântico de bit atômico para qubit

A unidade básica de informação em nossos computadores atuais é um pouco. Um bit pode ter apenas um de dois valores:zero ou um. O primo quântico do bit é um qubit, que alimenta um computador quântico. Além de ter valores zero e um, um qubit também pode estar em uma combinação de zero e um simultaneamente. Esse tipo de estado - parcialmente zero e parcialmente um - é chamado de estado de superposição. Esses estados são uma característica fundamental da mecânica quântica que é conhecida há décadas e só recentemente está sendo colocada em uso em computadores quânticos reais.

Em nossos experimentos, usamos uma propriedade quântica de um átomo de titânio chamado "spin" para representar um qubit. A propriedade de spin torna cada titânio magnético, então ele se comporta como uma agulha de bússola minúscula. Como um ímã em uma geladeira, cada átomo de titânio tem um pólo magnético norte e sul. As duas orientações magnéticas definem o zero ou um de um qubit. Colocamos o átomo de titânio em uma superfície especialmente escolhida, uma camada ultrafina de óxido de magnésio, para proteger seu magnetismo e permitir que exiba sua personalidade quântica.

Ensinando um átomo de titânio a dançar

Então, como podemos induzir um átomo de titânio a um estado de superposição quântica escolhido? A resposta é aplicar ondas de rádio de alta frequência, chamadas microondas, para o átomo. Essas microondas, emanando da ponta do microscópio, orientar a direção magnética do átomo. Quando sintonizado na frequência certa, essas microondas levam o átomo de titânio a realizar uma "dança quântica, "como mostrado na figura abaixo. O átomo permanece imóvel na superfície, mas seu pólo norte magnético gira rapidamente ao redor, terminando na direção desejada. Esta dança, chamado de "oscilação Rabi, "é extremamente rápido, levando apenas cerca de 20 nanossegundos para virar o qubit, de apontar para "0, "para apontar para um ou para trás novamente. No final da dança, o átomo aponta para uma direção projetada - um zero ou um ou uma superposição que fica no meio - dependendo de quanto tempo aplicamos as ondas de rádio. O termo técnico desta técnica-chave é ressonância de spin de elétrons pulsados, e pode criar qualquer estado de superposição que desejarmos. Nós controlamos e observamos essas rotações de spin usando a extrema sensibilidade do STM.

Esses qubits de átomo único são extremamente sensíveis a campos magnéticos, portanto, também podem ser usados ​​como sensores quânticos para medir o magnetismo sutil de átomos próximos. Usamos essa sensibilidade para fazer os qubits interagir - ou se enredar - uns com os outros e fazer um dispositivo de dois qubits. Este é um passo crítico para a compreensão de como atingir o objetivo final de ter muitos qubits interagindo para que possamos aproveitar a aceleração quântica no poder de processamento em relação aos computadores convencionais.

Para construir um dispositivo de dois qubit, empregamos nosso microscópio para ver e literalmente tocar átomos de titânio individuais, empurrando-os precisamente para as posições atômicas desejadas. Isso nos permite construir estruturas de engenharia que consistem em dois átomos em espaçamentos precisamente escolhidos, conforme mostrado na figura abaixo.

Quando colocamos dois ímãs de geladeira juntos, eles atraem ou repelem dependendo de como são mantidos. Física semelhante vale para os dois átomos de titânio nesta superfície, e a pequena força magnética entre eles os alinha, então eles apontam em direções opostas. O termo técnico para essa força magnética entre os dois átomos é a interação de troca quântica.

Devido a essa interação quântica, os dois qubits podem formar um estado com emaranhamento quântico. Estados emaranhados são padrões quânticos nos quais o estado de um qubit está diretamente relacionado ao estado de outro - tão entrelaçado que é tecnicamente impossível descrever o estado de um átomo sem descrever o outro ao mesmo tempo. Essa propriedade de emaranhamento é a chave do poder da computação quântica. Somos capazes de controlar as propriedades desse emaranhamento ajustando a distância entre os átomos, e escolhendo a duração e a frequência das ondas de rádio que as controlam.

O controle da superposição quântica e do emaranhamento por meio da ressonância de spin pulsado são apenas dois exemplos do que podemos estudar agora. Por exemplo, à medida que enredamos mais átomos, poderíamos testar teorias sobre o que causa a decoerência quântica - onde e como ela se origina? Como pode ser reduzido? Os químicos poderiam testar os projetos de moléculas magnéticas e materiais quânticos artificiais. Esta descoberta de usar ressonância de spin pulsado em arranjos de átomos nos dá um simulador quântico analógico para testar uma série de propriedades magnéticas quânticas que podem levar a novas técnicas de computação.