Construire des qubits à un seul atome au microscope

Notre équipe d'IBM Research a réalisé une percée dans le contrôle du comportement quantique des atomes individuels, démontrant un nouveau bloc de construction polyvalent pour le calcul quantique.

Dans l'article "Coherent spin manipulation of individual atomes on a surface", publié aujourd'hui dans la revue Science, notre équipe a démontré l'utilisation d'atomes uniques comme qubits pour le traitement de l'information quantique. Les bits quantiques, ou qubits, sont les éléments constitutifs fondamentaux de la capacité d'un ordinateur quantique à traiter l'information.

C'est la première fois qu'un qubit à un seul atome est obtenu à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM), l'invention IBM lauréate du prix Nobel qui permet de visualiser et de déplacer les atomes individuellement. Il s'agit d'une percée importante car le STM peut imager et positionner chaque qubit atomique pour contrôler avec précision la disposition des atomes de qubit à proximité. Le microscope fonctionne en balayant la pointe de l'aiguille ultra-pointue près d'une surface pour détecter la disposition des atomes individuels, et la pointe de l'aiguille peut tirer ou transporter des atomes dans les dispositions souhaitées.

Co- l'auteur, le Dr Christopher Lutz d'IBM Research – Almaden à San Jose, en Californie, se tient debout avec le microscope d'IBM, lauréat du prix Nobel, utilisé pour obtenir le premier qubit à un seul atome. (Stan Olszewski pour IBM)

Un saut quantique du bit atomique au qubit

L'unité d'information de base dans nos ordinateurs actuels est un peu. Un bit ne peut avoir qu'une des deux valeurs :« 0 » ou « 1 ». Le cousin quantique du bit est un qubit, qui alimente un ordinateur quantique. En plus d'avoir des valeurs « 0 » et « 1 », un qubit peut également être dans une combinaison de « 0 » et « 1 » simultanément. Ce type d'état – en partie « 0 » et en partie « 1 » – est appelé un état de superposition. De tels états sont une caractéristique fondamentale de la mécanique quantique qui est connue depuis des décennies et n'est utilisée que récemment dans de vrais ordinateurs quantiques.

Dans nos expériences, nous utilisons une propriété quantique d'un atome de titane appelée « spin » pour représenter un qubit. La propriété de rotation rend chaque titane magnétique, il se comporte donc comme une minuscule aiguille de boussole. Comme un aimant sur un réfrigérateur, chaque atome de titane a un pôle magnétique nord et sud. Les deux orientations magnétiques définissent le « 0 » ou le « 1 » d'un qubit. Nous avons placé l'atome de titane sur une surface spécialement choisie, une couche ultra-mince d'oxyde de magnésium, pour protéger son magnétisme et lui permettre de montrer sa personnalité quantique.

Enseigner à un atome de titane à danser

Alors, comment pouvons-nous amener un atome de titane dans un état de superposition quantique choisi ? La réponse consiste à appliquer des ondes radio à haute fréquence, appelées micro-ondes, à l'atome. Ces micro-ondes, émanant de la pointe du microscope, orientent la direction magnétique de l'atome. Lorsqu'elles sont réglées sur la bonne fréquence, ces micro-ondes conduisent l'atome de titane à effectuer une « danse quantique », comme le montre la figure ci-dessous. L'atome reste immobile à la surface, mais son pôle nord magnétique tourne rapidement en spirale, se terminant dans la direction souhaitée. Cette danse, appelée « oscillation Rabi », est extrêmement rapide, ne prenant qu'environ 20 nanosecondes pour faire tourner le qubit, du pointage vers le haut vers « 0 » jusqu'au pointage vers le bas vers « 1 » ou inversement. À la fin de la danse, l'atome pointe vers une direction désignée – un « 0 » ou un « 1 » ou une superposition qui se situe entre les deux, en fonction de la durée pendant laquelle nous appliquons les ondes radio. Le terme technique de cette technique clé est la résonance de spin électronique pulsée, et elle peut créer n'importe quel état de superposition que nous voulons. Nous contrôlons et observons ces rotations de spin grâce à l'extrême sensibilité du STM.

Figure 1 Vue d'artiste de la danse quantique d'un seul atome de titane (boule jaune) posé sur une surface d'oxyde de magnésium spécialement préparée. Le haut de l'image montre la pointe acérée de l'aiguille du STM, qui est utilisée pour effectuer un contrôle cohérent.

Ces qubits à un seul atome sont extrêmement sensibles aux champs magnétiques, ils peuvent donc également être utilisés comme capteurs quantiques pour mesurer le magnétisme subtil des atomes proches. Nous avons utilisé cette sensibilité pour faire interagir les qubits – ou s'entremêler – les uns avec les autres et créer un périphérique à deux qubits. Il s'agit d'une étape critique vers la compréhension de la façon d'atteindre l'objectif ultime d'avoir de nombreux qubits interagir afin que nous puissions profiter de l'accélération quantique de la puissance de traitement par rapport aux ordinateurs conventionnels.

Pour construire un appareil à deux qubits, nous utilisons notre microscope pour voir et toucher littéralement des atomes de titane individuels, en les poussant précisément dans les positions atomiques souhaitées. Cela nous permet de construire des structures d'ingénierie composées de deux atomes à des espacements choisis avec précision, comme le montre la figure ci-dessous.

Figure 2 Une image de deux atomes de titane placés à seulement 1 nanomètre l'un de l'autre et utilisés pour effectuer des opérations quantiques complexes.

Lorsque nous assemblons deux aimants pour réfrigérateur, ils s'attirent ou se repoussent selon la façon dont ils sont tenus. Une physique similaire s'applique aux deux atomes de titane sur cette surface, et la minuscule force magnétique entre eux les aligne, de sorte qu'ils pointent dans des directions opposées. Le terme technique pour cette force magnétique entre les deux atomes est l'interaction d'échange quantique.

En raison de cette interaction quantique, les deux qubits peuvent former un état ayant un enchevêtrement quantique. Les états intriqués sont des modèles quantiques dans lesquels l'état d'un qubit est directement lié à l'état d'un autre — si entrelacés qu'il n'est techniquement pas possible de décrire l'état d'un atome sans décrire l'autre en même temps. Cette propriété d'intrication est la clé de la puissance de l'informatique quantique. Nous sommes capables de contrôler les propriétés de cet enchevêtrement en ajustant la distance entre les atomes, et en choisissant la durée et la fréquence des ondes radio qui les contrôlent.

Le contrôle de la superposition quantique et de l'intrication par résonance de spin pulsée ne sont que deux exemples de ce que nous pouvons maintenant étudier. Par exemple, à mesure que nous enchevêtrons davantage d'atomes, nous pourrions tester des théories sur les causes de la décohérence quantique - d'où et comment provient-elle ? Comment peut-il être réduit ? Les chimistes pourraient tester les conceptions de molécules magnétiques et de matériaux quantiques artificiels. Cette percée de l'utilisation de la résonance de spin pulsée sur les arrangements d'atomes nous donne un simulateur quantique analogique pour tester une multitude de propriétés magnétiques quantiques qui pourraient conduire à de nouvelles techniques informatiques.

Manipulation de spin cohérente d'atomes individuels sur une surface, Kai Yang, William Paul, Soo-Hyon Phark, Philip Willke, Yujeong Bae, Taeyoung Choi, Taner Esat, Arzhang Ardavan, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz,  Sciences 366, 509 (2019)