顕微鏡下での単一原子キュービットの構築

IBM Researchの私たちのチームは、個々の原子の量子挙動を制御する上で画期的な進歩を遂げ、量子計算のための用途の広い新しいビルディングブロックを実証しました。

本日ジャーナルScienceに掲載された論文「表面上の個々の原子のコヒーレントスピン操作」で、私たちのチームは、量子情報処理のキュービットとして単一原子を使用することを実証しました。量子ビット、またはキュービットは、情報を処理する量子コンピューターの能力の基本的な構成要素です。

走査型トンネル顕微鏡（STM）を使用して単一原子キュービットを実現したのはこれが初めてです。これは、原子を個別に表示および移動できる、ノーベル賞を受賞したIBMの発明です。 STMは各原子キュービットを画像化して配置し、近くのキュービット原子の配置を正確に制御できるため、これは重要なブレークスルーです。顕微鏡は、表面近くの非常に鋭い針先をスキャンして個々の原子の配置を感知することで機能し、針先は原子を引っ張ったり運んだりして、希望の配置にすることができます。

Co-カリフォルニア州サンノゼにあるIBMResearch –Almadenの著者であるDr.Christopher Lutzは、最初の単一原子キュービットを達成するために使用されたIBMのノーベル賞を受賞した顕微鏡を支持しています。 （IBMのStan Olszewski）

アトミックビットからキュービットへの飛躍的進歩

現在のコンピューターの情報の基本単位は少しです。ビットは、「0」または「1」の2つの値のうちの1つのみを持つことができます。ビットの量子いとこは量子ビットであり、量子コンピューターに電力を供給します。 「0」と「1」の値を持つことに加えて、キュービットは「0」と「1」を同時に組み合わせることもできます。この種の状態（一部は「0」、一部は「1」）は、重ね合わせ状態と呼ばれます。このような状態は、数十年前から知られており、実際の量子コンピューターで使用されるようになったのはごく最近の量子力学の基本的な特徴です。

私たちの実験では、「スピン」と呼ばれるチタン原子の量子特性を使用して、1つのキュービットを表します。スピン特性により、各チタンは磁性を帯びているため、小さなコンパスの針のように動作します。冷蔵庫の磁石のように、各チタン原子には北と南の磁極があります。 2つの磁気配向は、キュービットの「0」または「1」を定義します。チタン原子を特別に選択された表面、酸化マグネシウムの極薄層に配置して、その磁性を保護し、量子的な個性を際立たせました。

チタン原子にダンスを教える

では、どうすればチタン原子を選択した量子重ね合わせ状態に誘導できるでしょうか。答えは、マイクロ波と呼ばれる高周波の電波を原子に当てることです。顕微鏡の先端から放射されるこれらのマイクロ波は、原子の磁気方向を操作します。次の図に示すように、適切な周波数に調整されると、これらのマイクロ波はチタン原子に「量子ダンス」を実行させます。原子は表面にとどまりますが、その磁北極は急速に渦巻き状に回り、目的の方向に終わります。 「ラビ振動」と呼ばれるこのダンスは非常に高速で、「0」を上に向けてから「1」を下に向ける、または元に戻すまで、キュービットを回転させるのに約20ナノ秒しかかかりません。ダンスの終わりに、原子は、電波を当てる時間に応じて、設計された方向（「0」または「1」またはその間にある重ね合わせ）を指します。この重要な技術の専門用語はパルス電子スピン共鳴であり、それは私たちが望む任意の重ね合わせ状態を作り出すことができます。 STMの極端な感度を使用して、これらのスピン回転を制御および観察します。

図1酸化マグネシウムの特別に準備された表面の上に座っている単一のチタン原子（黄色いボール）の量子ダンスのアーティストの見解。画像の上部は、コヒーレント制御を実行するために使用されるSTMの鋭い針先を示しています。

これらの単一原子キュービットは磁場に非常に敏感であるため、近くの原子の微妙な磁性を測定するための量子センサーとしても使用できます。この感度を使用して、量子ビットを相互に相互作用させる、つまり絡ませ、2量子ビットデバイスを作成しました。これは、従来のコンピューターよりも処理能力の量子スピードアップを利用できるように、多くの量子ビットを相互作用させるという究極の目標を達成する方法を理解するための重要なステップです。

2量子ビットのデバイスを構築するために、顕微鏡を使用して個々のチタン原子を確認し、文字通り触れて、それらを目的の原子位置に正確に移動させます。これにより、次の図に示すように、正確に選択された間隔で2つの原子からなる工学的構造を構築できます。

図2 。わずか1ナノメートル離れて配置され、複雑な量子演算を実行するために使用される2つのチタン原子の画像。

2つの冷蔵庫用マグネットを組み合わせると、保持方法に応じて引き付けたり反発したりします。同様の物理学がこの表面の2つのチタン原子にも当てはまり、それらの間の小さな磁力がそれらを整列させるので、それらは反対方向を指します。 2つの原子間のこの磁力の専門用語は、量子交換相互作用です。

この量子相互作用により、2つの量子ビットは量子もつれを持つ状態を形成することができます。もつれ状態は、ある量子ビットの状態が別の量子ビットの状態に直接関連している量子パターンです。非常に絡み合っているため、同時に他の原子を記述せずに1つの原子の状態を記述することは技術的に不可能です。エンタングルメントのこの特性は、量子コンピューティングの力の鍵です。原子間の距離を調整し、原子を制御する電波の持続時間と周波数を選択することで、この絡み合いの特性を制御できます。

パルススピン共鳴による量子重ね合わせとエンタングルメントの制御は、私たちが現在研究できることのほんの2つの例です。たとえば、より多くの原子を絡ませることで、量子デコヒーレンスの原因についての理論をテストできます。それはどこでどのように発生するのでしょうか。どうすれば減らすことができますか？化学者は、磁性分子と人工量子材料の設計をテストすることができます。原子の配置にパルススピン共鳴を使用するというこの画期的な進歩により、新しいコンピューティング技術につながる可能性のある多数の量子磁気特性をテストするためのアナログ量子シミュレーターが得られます。

表面上の個々の原子のコヒーレントスピン操作 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）