在显微镜下构​​建单原子量子位

我们在 IBM Research 的团队在控制单个原子的量子行为方面取得了突破，展示了用于量子计算的多功能新构建块。

在今天发表在《科学》杂志上的论文“表面上单个原子的相干自旋操作”中，我们的团队展示了使用单个原子作为量子位进行量子信息处理。量子位或量子位是量子计算机处理信息能力的基本构建块。

这是第一次使用扫描隧道显微镜 (STM) 实现单原子量子位，这是 IBM 获得诺贝尔奖的发明，可以单独查看和移动原子。这是一个重要的突破，因为 STM 可以对每个原子量子位进行成像和定位，以精确控制附近量子位原子的排列。显微镜的工作原理是通过扫描表面附近的超锋利针尖来感知单个原子的排列，针尖可以将原子拉动或携带成所需的排列。

Co- IBM Research 的作者 Christopher Lutz 博士 - 加利福尼亚州圣何塞的 Almaden 与 IBM 的诺贝尔奖获奖显微镜站在一起，该显微镜用于实现第一个单原子量子位。 （IBM 的 Stan Olszewski）

从原子位到量子位的质的飞跃

我们当前计算机中的基本信息单位是位。一个位只能有两个值之一：“0”或“1”。比特的量子表亲是量子比特，它为量子计算机提供动力。除了具有“0”和“1”值外，一个量子位还可以同时处于“0”和“1”的组合中。这种状态——部分为“0”部分为“1”——被称为叠加态。这种状态是量子力学的一个基本特征，它已经为人所知了几十年，直到最近才被用于真正的量子计算机。

在我们的实验中，我们使用称为“自旋”的钛原子的量子特性来表示一个量子位。自旋特性使每个钛都具有磁性，因此它的行为就像一个微小的罗盘针。就像冰箱上的磁铁一样，每个钛原子都有一个南北磁极。两个磁性方向定义了一个量子位的“0”或“1”。我们将钛原子放置在一个特别选择的表面，即超薄氧化镁层，以保护其磁性并使其展示其量子特性。

教钛原子跳舞

那么，我们如何将钛原子诱导到选定的量子叠加态？答案是向原子施加称为微波的高频无线电波。这些从显微镜尖端发出的微波控制着原子的磁场方向。当调谐到正确的频率时，这些微波会引导钛原子进行“量子舞”，如下图所示。原子在表面保持不动，但它的磁北极迅速旋转，以所需的方向结束。这种称为“拉比振荡”的舞蹈速度非常快，从指向“0”到指向“1”或再次返回，只需大约 20 纳秒即可将量子位翻转。在舞蹈结束时，原子指向一个设计的方向——“0”或“1”或介于两者之间的叠加——取决于我们施加无线电波的时间。这项关键技术的技术术语是脉冲电子自旋共振，它可以产生我们想要的任何叠加态。我们使用 STM 的极高灵敏度来控制和观察这些自旋旋转。

图1一个艺术家对一个钛原子（黄色球）的量子舞的看法，它位于一个特别准备的氧化镁表面上。上图为STM尖锐的针尖，用于进行相干控制。

这些单原子量子位对磁场极其敏感，因此它们也可以用作量子传感器来测量附近原子的微妙磁性。我们利用这种敏感性使量子比特相互作用或纠缠在一起，并制造了一个双量子比特设备。这是理解如何实现让许多量子位交互的最终目标的关键一步，以便我们可以利用量子加速处理能力超过传统计算机。

为了构建一个双量子位设备，我们使用显微镜来观察和触摸单个钛原子，将它们精确地推到所需的原子位置。这使我们能够构建由两个原子以精确选择的间距组成的工程结构，如下图所示。

图2 . 两个钛原子相距仅 1 纳米的图像，用于执行复杂的量子运算。

当我们将两个冰箱磁铁放在一起时，它们会吸引或排斥，具体取决于它们的握持方式。类似的物理学适用于这个表面上的两个钛原子，它们之间的微小磁力使它们对齐，因此它们指向相反的方向。两个原子之间的这种磁力的技术术语是量子交换相互作用。

由于这种量子相互作用，两个量子位可以形成具有量子纠缠的状态。纠缠态是一种量子模式，其中一个量子位的状态与另一个量子位的状态直接相关——如此纠缠以至于在技术上不可能在不同时描述另一个原子的情况下描述一个原子的状态。这种纠缠特性是量子计算能力的关键。我们可以通过调整原子之间的距离以及选择控制它们的无线电波的持续时间和频率来控制这种纠缠的性质。

通过脉冲自旋共振控制量子叠加和纠缠只是我们现在可以研究的两个例子。例如，当我们纠缠更多的原子时，我们可以测试关于是什么导致量子退相干的理论——它起源于何处以及如何产生？怎样才能减少？化学家可以测试磁性分子和人造量子材料的设计。在原子排列上使用脉冲自旋共振的这一突破为我们提供了一个模拟量子模拟器来测试一系列可能导致新计算技术的量子磁性。

表面上单个原子的相干自旋操作， Kai Yang、William Paul、Soo-Hyon Phark、Philip Willke、Yujeong Bae、Taeyoung Choi、Taner Esat、Arzhang Ardavan、Andreas J. Heinrich、Christopher P. Lutz、 科学 366, 509 (2019)