Membuat qubit atom tunggal di bawah mikroskop

Tim kami di IBM Research membuat terobosan dalam mengendalikan perilaku kuantum atom individu, menunjukkan blok bangunan baru yang serbaguna untuk komputasi kuantum.

Dalam makalah “Manipulasi putaran koheren atom individu pada permukaan”, yang diterbitkan hari ini di jurnal Science, tim kami mendemonstrasikan penggunaan atom tunggal sebagai qubit untuk pemrosesan informasi kuantum. Bit kuantum, atau qubit, adalah blok pembangun dasar dari kemampuan komputer kuantum untuk memproses informasi.

Ini adalah pertama kalinya qubit atom tunggal dicapai menggunakan Scanning Tunneling Microscope (STM), penemuan IBM pemenang Hadiah Nobel yang memungkinkan atom untuk dilihat dan dipindahkan satu per satu. Ini merupakan terobosan penting karena STM dapat mencitrakan dan memposisikan setiap qubit atom untuk secara tepat mengontrol susunan atom qubit di dekatnya. Mikroskop bekerja dengan memindai ujung jarum ultra-tajam di dekat permukaan untuk merasakan susunan atom individu, dan ujung jarum dapat menarik atau membawa atom ke susunan yang diinginkan.

Bersama- penulis Dr Christopher Lutz dari IBM Research – Almaden di San Jose, California berdiri dengan mikroskop pemenang hadiah Nobel IBM yang digunakan untuk mencapai qubit atom tunggal pertama. (Stan Olszewski untuk IBM)

Lompatan kuantum dari bit atom ke qubit

Unit dasar informasi di komputer kita saat ini adalah sedikit. Sebuah bit hanya dapat memiliki satu dari dua nilai:“0” atau “1.” Sepupu kuantum bit adalah qubit, yang menggerakkan komputer kuantum. Selain memiliki nilai “0” dan “1”, sebuah qubit juga dapat berupa kombinasi “0” dan “1” secara bersamaan. Keadaan semacam ini—sebagian “0” dan sebagian “1”—disebut keadaan superposisi. Keadaan seperti itu adalah karakteristik mendasar dari mekanika kuantum yang telah dikenal selama beberapa dekade dan baru belakangan ini digunakan di komputer kuantum nyata.

Dalam eksperimen kami, kami menggunakan properti kuantum dari atom titanium yang disebut "spin" untuk mewakili satu qubit. Properti spin membuat setiap titanium bersifat magnetis, sehingga berperilaku seperti jarum kompas kecil. Seperti magnet pada lemari es, setiap atom titanium memiliki kutub magnet utara dan selatan. Dua orientasi magnetik menentukan "0" atau "1" dari sebuah qubit. Kami menempatkan atom titanium pada permukaan yang dipilih secara khusus, lapisan ultra-tipis magnesium oksida, untuk melindungi daya magnetnya dan memungkinkannya menunjukkan kepribadian kuantumnya.

Mengajarkan atom titanium untuk menari

Jadi, bagaimana kita bisa membujuk atom titanium ke dalam keadaan superposisi kuantum yang dipilih? Jawabannya adalah dengan menerapkan gelombang radio frekuensi tinggi, yang disebut gelombang mikro, ke atom. Gelombang mikro ini, yang memancar dari ujung mikroskop, mengarahkan arah magnetis atom. Ketika disetel ke frekuensi yang tepat, gelombang mikro ini mengarahkan atom titanium untuk melakukan "tarian kuantum", seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah. Atom tetap berada di permukaan, tetapi kutub utara magnetnya berputar dengan cepat, berakhir ke arah yang diinginkan. Tarian ini, yang disebut "osilasi Rabi", sangat cepat, hanya membutuhkan waktu sekitar 20 nanodetik untuk memutar qubit, dari menunjuk ke atas ke "0," ke menunjuk ke bawah ke "1" atau kembali lagi. Di akhir tarian, atom menunjuk ke arah yang dirancang—"0" atau "1" atau superposisi yang terletak di antaranya—tergantung berapa lama kita menerapkan gelombang radio. Istilah teknis dari teknik kunci ini adalah resonansi spin elektron berdenyut, dan itu dapat membuat keadaan superposisi apa pun yang kita inginkan. Kami mengontrol dan mengamati rotasi putaran ini menggunakan sensitivitas ekstrim STM.

Gambar 1 Pandangan seorang seniman tentang tarian kuantum dari atom titanium tunggal (bola kuning) yang duduk di atas permukaan magnesium oksida yang disiapkan secara khusus. Bagian atas gambar menunjukkan ujung jarum tajam STM, yang digunakan untuk melakukan kontrol yang koheren.

Qubit atom tunggal ini sangat sensitif terhadap medan magnet sehingga juga dapat digunakan sebagai sensor kuantum untuk mengukur magnet halus atom di dekatnya. Kami menggunakan kepekaan ini untuk membuat qubit berinteraksi – atau menjerat – satu sama lain dan membuat perangkat dua qubit. Ini adalah langkah penting menuju pemahaman tentang cara mencapai tujuan akhir agar banyak qubit berinteraksi sehingga kita dapat memanfaatkan percepatan kuantum dalam kekuatan pemrosesan di atas komputer konvensional.

Untuk membangun perangkat dua-qubit, kami menggunakan mikroskop kami untuk melihat dan secara harfiah menyentuh masing-masing atom titanium, mendorongnya dengan tepat ke posisi atom yang diinginkan. Hal ini memungkinkan kita untuk membangun struktur rekayasa yang terdiri dari dua atom pada jarak yang dipilih secara tepat, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.

Gambar 2 . Gambar dua atom titanium yang diposisikan hanya terpisah 1 nanometer dan digunakan untuk melakukan operasi kuantum yang kompleks.

Ketika kita menyatukan dua magnet lemari es, mereka menarik atau menolak tergantung pada bagaimana magnet itu dipegang. Fisika serupa berlaku untuk dua atom titanium di permukaan ini, dan gaya magnet kecil di antara mereka menyelaraskan mereka, sehingga mereka menunjuk ke arah yang berlawanan. Istilah teknis untuk gaya magnet antara dua atom ini adalah interaksi pertukaran kuantum.

Karena interaksi kuantum ini, kedua qubit dapat membentuk keadaan yang memiliki belitan kuantum. Keadaan terjerat adalah pola kuantum di mana keadaan satu qubit berhubungan langsung dengan keadaan yang lain — begitu terjalin sehingga secara teknis tidak mungkin untuk menggambarkan keadaan satu atom tanpa menggambarkan yang lain pada waktu yang sama. Sifat keterjeratan ini adalah kunci kekuatan komputasi kuantum. Kita dapat mengontrol sifat keterjeratan ini dengan menyesuaikan jarak antara atom, dan dengan memilih durasi dan frekuensi gelombang radio yang mengontrolnya.

Mengontrol superposisi kuantum dan keterjeratan melalui resonansi putaran berdenyut hanyalah dua contoh dari apa yang sekarang dapat kita pelajari. Misalnya, saat kita melibatkan lebih banyak atom, kita dapat menguji teori tentang apa yang menyebabkan dekoherensi kuantum – dari mana dan bagaimana asalnya? Bagaimana itu bisa dikurangi? Ahli kimia dapat menguji desain molekul magnetik dan bahan kuantum buatan. Terobosan menggunakan resonansi putaran berdenyut pada susunan atom ini memberi kita simulator kuantum analog untuk menguji sejumlah sifat magnetik kuantum yang dapat menghasilkan teknik komputasi baru.

Manipulasi putaran koheren atom individu pada permukaan, Kai Yang, William Paul, Soo-Hyon Phark, Philip Willke, Yujeong Bae, Taeyoung Choi, Taner Esat, Arzhang Ardavan, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz,  Ilmu 366, 509 (2019)