Révolutionner l'informatique quantique : qubits monoatomiques contrôlés par microscopie à effet tunnel

Notre équipe IBM Research a réalisé une percée majeure dans le contrôle quantique, démontrant que des atomes individuels peuvent servir de qubits fiables pour le traitement de l'information quantique.

Dans l'article nouvellement publié « Coherent spin manipulation of individual atoms on a surface », paru dans la revue Science, nous rapportons la première utilisation réussie d'atomes uniques comme qubits. Les bits quantiques, ou qubits, sont les unités fondamentales qui permettent la puissance de traitement sans précédent d'un ordinateur quantique.

Cette réalisation marque la première fois qu'un qubit monoatomique a été réalisé en utilisant un microscope à effet tunnel (STM), une invention d'IBM qui a valu un prix Nobel pour sa capacité à imager et repositionner des atomes un par un. La précision du STM est critique car elle permet de placer et d'arranger chaque qubit atomique avec une précision nanométrique, donnant aux chercheurs un contrôle fin sur le réseau de qubits.

Un saut quantique du bit atomique au qubit

Dans les ordinateurs conventionnels, l'unité de base de données est un bit, qui ne peut contenir qu'un « 0 » ou un « 1 ». Un qubit, par contraste, peut exister dans une superposition des deux états simultanément, une propriété au cœur de l'avantage quantique. La superposition permet aux processeurs quantiques d'évaluer de nombreuses possibilités à la fois, accélérant dramatiquement certains calculs.

Nos expériences emploient la propriété quantique de spin dans un atome de titane comme incarnation physique d'un qubit. Le spin d'un atome de titane lui confère un minuscule moment magnétique, analogue à une mini boussole. Les deux orientations magnétiques possibles — pointant nord ou sud — définissent le « 0 » ou « 1 » logique du qubit. Nous stabilisons ce spin en plaçant l'atome de titane sur une couche ultrafine d'oxyde de magnésium, qui protège son moment magnétique et préserve la cohérence.

Apprendre à un atome de titane à danser

Pour orienter le spin de l'atome dans une superposition désirée, nous délivrons des impulsions micro-ondes à haute fréquence via la pointe du STM. Ces micro-ondes agissent comme un champ radiofréquence résonnant qui bascule le moment magnétique de l'atome. Lorsque la fréquence de l'impulsion correspond à la résonance de spin, l'atome de titane subit une précession rapide — connue sous le nom d'oscillation de Rabi — complétant une rotation complète en environ 20 nanosecondes. En ajustant la durée de l'impulsion, nous pouvons arrêter la précession de l'atome à n'importe quel angle intermédiaire, encodant ainsi toute superposition d'état requise. Cette technique, la résonance de spin électronique pulsée, est surveillée en temps réel grâce à l'extraordinaire sensibilité du STM.

Parce que ces qubits monoatomiques sont hautement sensibles aux champs magnétiques, ils fonctionnent aussi comme capteurs quantiques, capables de détecter d'infimes interactions magnétiques d'atomes proches. Exploitant cette sensibilité, nous avons intriqué deux qubits de titane pour former un système à deux qubits — une étape cruciale vers des processeurs quantiques évolutifs qui reposent sur l'intrication pour l'accélération.

Pour construire le dispositif à deux qubits, nous utilisons le STM pour manipuler les atomes de titane en positions précisément définies, atteignant un espacement interatomique de seulement 1 nanomètre. La figure ci-dessous illustre cette paire conçue.

L'interaction magnétique entre les deux atomes — connue sous le nom d'interaction d'échange quantique — cause l'alignement de leurs spins dans des directions opposées, un peu comme deux aimants de réfrigérateur. Cette interaction est le mécanisme qui permet aux qubits de devenir intriqués, créant un état quantique partagé qui ne peut être décrit indépendamment pour chaque atome. Nous pouvons affiner le degré d'intrication en ajustant l'espacement atomique et les paramètres des impulsions micro-ondes.

Le contrôle de la superposition et de l'intrication via la résonance de spin pulsée ouvre des avenues pour explorer des phénomènes quantiques fondamentaux tels que la décohérence, ainsi que pour tester de nouveaux matériaux quantiques et molécules magnétiques. Cette percée fournit effectivement un simulateur quantique analogique, offrant une plateforme pour sonder des interactions magnétiques complexes qui pourraient informer les algorithmes quantiques de prochaine génération.

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)