Revolusi Komputasi Kuantum: Qubit Tunggal Atom Dikontrol oleh Mikroskop Penggelindingan Tunel
Tim penelitian kami di IBM Research telah mencapai terobosan landmark dalam kontrol kuantum, mendemonstrasikan bahwa atom individu dapat berfungsi sebagai qubit yang andal untuk pemrosesan informasi kuantum.
Dalam makalah baru yang dipublikasikan “Coherent spin manipulation of individual atoms on a surface,” yang muncul di jurnal Science, kami melaporkan penggunaan pertama yang berhasil atom tunggal sebagai qubit. Qubit, atau bit kuantum, adalah unit dasar yang memungkinkan daya pemrosesan komputer kuantum yang tidak tertandingi.
Pencapaian ini menandai pertama kalinya qubit tunggal atom telah direalisasikan menggunakan Mikroskop Penggelindingan Tunel (STM), penemuan IBM yang memperoleh Hadiah Nobel untuk kemampuannya untuk mencitrakan dan memindah posisi atom satu per satu. Presisi STM kritis karena memungkinkan setiap qubit atom ditempatkan dan diatur dengan akurasi nanometer, memberikan peneliti kontrol yang detail atas jaringan qubit.
Co-penulis Dr. Christopher Lutz dari IBM Research – Almaden di San Jose, Calif. berdiri di samping mikroskop berhadiah Nobel IBM yang digunakan untuk menciptakan qubit tunggal atom pertama. (Stan Olszewski untuk IBM)
Lompatan kuantum dari bit atom ke qubit
Dalam komputer konvensional, unit data dasar adalah bit, yang hanya dapat menyimpan “0” atau “1.” Sebaliknya, qubit dapat ada dalam superposisi kedua keadaan secara bersamaan, properti yang berada di inti keunggulan kuantum. Superposisi memungkinkan prosesor kuantum mengevaluasi banyak kemungkinan sekaligus, secara dramatis mempercepat perhitungan tertentu.
Eksperimen kami menggunakan properti kuantum spin pada atom titanium sebagai perwujudan fisik dari qubit. Spin atom titanium memberinya momen magnetik kecil, analog dengan jarum kompas mini. Dua orientasi magnetik yang mungkin—berarah utara atau selatan—mendefinisikan “0” atau “1” logis dari qubit. Kami memstabilkan spin dengan menempatkan atom titanium pada lapisan oksida magnesium yang sangat tipis, yang melindungi momen magnetiknya dan mempertahankan kohersi.
Mengajari atom titanium untuk menari
Untuk mengarahkan spin atom ke superposisi yang diinginkan, kami memberikan pulsa mikrogas frekuensi tinggi melalui ujung STM. Mikrogas ini bertindak seperti medan radio-frekuensi resonan yang membungkukkan momen magnetik atom. Ketika frekuensi pulsa cocok dengan resonansi spin, atom titanium mengalami precesi cepat—dikenal sebagai osilasi Rabi—yang menyelesaikan rotasi penuh dalam sekitar 20 nanosekon. Dengan menyesuaikan durasi pulsa, kami dapat menghentikan precesi atom pada sudut menengah apa pun, sehingga mengkode setiap keadaan superposisi yang diperlukan. Teknik ini, resonansi spin elektron pulsed, dipantau secara real time melalui sensitivitas luar biasa STM.
Gambar 1. Rendering seni dari tari kuantum tunggal atom titanium di atas permukaan oksida magnesium, dikontrol oleh medan mikrogas ujung STM.
Karena qubit tunggal atom ini sangat sensitif terhadap medan magnet, mereka juga berfungsi sebagai sensor kuantum, mampu mendeteksi interaksi magnetik kecil dari atom di sekitar. Memanfaatkan sensitivitas ini, kami telah entangling dua qubit titanium untuk membentuk sistem dua-qubit—langkah kunci menuju prosesor kuantum yang dapat diskalakan yang bergantung pada entanglement untuk percepatan.
Untuk membangun perangkat dua-qubit, kami menggunakan STM untuk memanipulasi atom titanium ke posisi yang didefinisikan dengan tepat, mencapai jarak antar atom hanya 1 nanometer. Gambar di bawah ini mengilustrasikan pasangan yang direkayasa ini.
Gambar 2. Dua atom titanium diposisikan 1 nm terpisah, memungkinkan operasi kuantum yang dikontrol.
Interaksi magnetik antara dua atom—dikenal sebagai interaksi pertukaran kuantum—membuat spin mereka tersusun dalam arah yang berlawanan, seperti dua magnet kulkas. Interaksi ini adalah mekanisme yang memungkinkan qubit menjadi terpaut, menciptakan keadaan kuantum bersama yang tidak dapat dijelaskan secara independen untuk setiap atom. Kami dapat menyesuaikan tingkat entanglement dengan menyesuaikan jarak atom dan parameter pulsa mikrogas.
Kontrol atas superposisi dan entanglement melalui resonansi spin pulsed membuka jalan untuk menjelajahi fenomena kuantum dasar seperti dekoherensi, serta menguji materi kuantum baru dan molekul magnetik. Terobosan ini secara efektif menyediakan simulasi kuantum analog, menawarkan platform untuk menyelidiki interaksi magnetik kompleks yang dapat memberikan informasi untuk algoritma kuantum generasi berikutnya.
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)
