量子计算革命：扫描隧道显微镜控制的单原子量子比特

IBM Research团队在量子控制领域取得里程碑式突破，证明单个原子可作为量子信息处理的可靠量子比特。

新发表于Science期刊的论文"Coherent spin manipulation of individual atoms on a surface"报道了首次成功使用单原子作为量子比特。量子比特是赋予量子计算机前所未有处理能力的基础单元。

此成就标志着首次利用扫描隧道显微镜（STM）——IBM发明、因能逐个成像和重新定位原子而获诺贝尔奖——实现单原子量子比特。STM的精度至关重要，因为它允许以纳米精度放置和排列每个原子量子比特，赋予研究者对量子比特网络的精细控制。

合著者Christopher Lutz博士（IBM Research Almaden，圣何塞）站在IBM诺贝尔奖级显微镜旁，该显微镜用于创建首个单原子量子比特。（Stan Olszewski for IBM）

从原子比特到量子比特的量子飞跃

常规计算机中，基本数据单元是比特，仅能容纳"0"或"1"。量子比特相反，可同时处于两种状态的叠加，这是量子优势的核心。叠加让量子处理器能同时评估多种可能性，大幅加速特定计算。

实验利用钛原子自旋的量子特性作为量子比特物理实体。钛原子自旋赋予其微小磁矩，类比微型指南针。两种可能磁取向——指北或指南——定义量子比特逻辑"0"或"1"。我们将钛原子置于超薄氧化镁层上稳定自旋，保护磁矩并保持相干性。

教钛原子"跳舞"

为将原子自旋导向所需叠加态，我们通过STM探针传递高频微波脉冲。这些微波像共振射频场翻转原子磁矩。脉冲频率匹配自旋共振时，钛原子经历快速进动——即拉比振荡——约20纳秒完成全旋转。调整脉冲持续时间可在任意中间角度停止进动，从而编码所需任意叠加态。这种脉冲电子自旋共振技术通过STM非凡灵敏度实时监测。

图1. 单钛原子在氧化镁表面上受STM探针微波场控制的量子舞蹈艺术渲染。

因这些单原子量子比特对磁场高度敏感，它们也可作为量子传感器，探测附近原子的微弱磁相互作用。利用此灵敏度，我们纠缠两个钛量子比特形成两量子比特系统——迈向依赖纠缠加速的可扩展量子处理器的关键步骤。

构建两量子比特器件时，我们用STM将钛原子操控至精确位置，实现仅1纳米原子间距。下图展示该工程化对。

图2. 间距1 nm的两个钛原子，实现可控量子操作。

两原子间磁相互作用——量子交换相互作用——导致自旋反向排列，像两块冰箱磁贴。这种相互作用是量子比特纠缠的机制，创造无法独立描述各原子的共享量子态。我们可通过调整原子间距和微波脉冲参数微调纠缠程度。

通过脉冲自旋共振控制叠加与纠缠，为探索退相干等基本量子现象、测试新型量子材料和磁性分子开辟道路。此突破有效提供模拟量子模拟器，为探测可能指导下一代量子算法的复杂磁相互作用提供平台。

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)