현미경으로 단일 원자 큐비트 구축

IBM Research의 우리 팀은 개별 원자의 양자 거동을 제어하는 ​​데 획기적인 성과를 거두었으며 양자 계산을 위한 다재다능한 새 구성 요소를 시연했습니다.

오늘 Science 저널에 게재된 "표면의 개별 원자의 일관된 스핀 조작" 논문에서 우리 팀은 양자 정보 처리를 위한 큐비트로 단일 원자의 사용을 시연했습니다. 양자 비트 또는 큐비트는 정보를 처리하는 양자 컴퓨터 능력의 기본 빌딩 블록입니다.

원자를 개별적으로 보고 이동할 수 있도록 하는 노벨상을 수상한 IBM 발명품인 주사 터널링 현미경(STM)을 사용하여 단일 원자 큐비트를 달성한 것은 이번이 처음입니다. 이것은 STM이 각 원자 큐비트를 이미지화하고 위치를 지정하여 근처 큐비트 원자의 배열을 정확하게 제어할 수 있기 때문에 중요한 돌파구입니다. 현미경은 표면 근처의 매우 날카로운 바늘 끝을 스캔하여 개별 원자의 배열을 감지하고 바늘 끝은 원하는 배열로 원자를 당기거나 이동할 수 있습니다.

공동 저자인 IBM Research의 Dr. Christopher Lutz는 캘리포니아 산호세에 있는 Almaden이 최초의 단일 원자 큐비트를 달성하는 데 사용된 IBM의 노벨상 수상 현미경을 들고 있습니다. (IBM의 Stan Olszewski)

아토믹 비트에서 큐비트로의 비약적 도약

현재 컴퓨터에서 정보의 기본 단위는 비트입니다. 비트는 "0" 또는 "1"의 두 값 중 하나만 가질 수 있습니다. 비트의 양자 사촌은 양자 컴퓨터를 구동하는 큐비트입니다. "0"과 "1" 값을 갖는 것 외에도 큐비트는 "0"과 "1"의 조합으로 동시에 존재할 수도 있습니다. 일부는 "0"이고 일부는 "1"인 이러한 종류의 상태를 중첩 상태라고 합니다. 이러한 상태는 수십 년 동안 알려져 왔으며 최근에야 실제 양자 컴퓨터에 사용되는 양자 역학의 근본적인 특성입니다.

우리의 실험에서 우리는 "스핀"이라는 티타늄 원자의 양자 특성을 사용하여 1큐비트를 나타냅니다. 스핀 속성은 각 티타늄을 자성으로 만들기 때문에 작은 나침반 바늘처럼 작동합니다. 냉장고의 자석처럼 각 티타늄 원자에는 북극과 남극이 있습니다. 두 개의 자기 방향은 큐비트의 "0" 또는 "1"을 정의합니다. 우리는 티타늄 원자를 특별히 선택된 표면, 즉 산화마그네슘의 초박막 층에 배치하여 자성을 보호하고 양자 특성을 과시할 수 있도록 했습니다.

티타늄 원자에게 춤 배우기

그렇다면 어떻게 티타늄 원자를 선택된 양자 중첩 상태로 만들 수 있습니까? 답은 마이크로파라고 하는 고주파 전파를 원자에 적용하는 것입니다. 현미경의 끝에서 나오는 이 마이크로파는 원자의 자기 방향을 조정합니다. 올바른 주파수로 조정되면 이 마이크로파가 티타늄 원자를 유도하여 아래 그림과 같이 "양자 춤"을 수행합니다. 원자는 표면에 고정되어 있지만 자기 북극은 빠르게 회전하여 원하는 방향으로 끝납니다. '라비 진동(Rabi oscillation)'이라고 불리는 이 춤은 큐비트를 '0'에서 아래로 '1'로 또는 다시 반대로 돌리는 데 약 20나노초가 소요될 정도로 매우 빠릅니다. 춤이 끝날 때 원자는 전파를 적용하는 시간에 따라 설계된 방향("0" 또는 "1" 또는 그 사이에 있는 중첩)을 가리킵니다. 이 핵심 기술의 기술 용어는 펄스 전자 스핀 공명이며 원하는 중첩 상태를 만들 수 있습니다. 우리는 STM의 극도의 감도를 사용하여 이러한 회전 회전을 제어하고 관찰합니다.

그림 1 특별히 준비된 산화마그네슘 표면 위에 앉아 있는 단일 티타늄 원자(노란색 공)의 양자 춤에 대한 예술가의 관점. 이미지 상단은 일관된 제어를 수행하는 데 사용되는 STM의 날카로운 바늘 끝을 보여줍니다.

이 단일 원자 큐비트는 자기장에 극도로 민감하므로 근처 원자의 미묘한 자기를 측정하는 양자 센서로도 사용할 수 있습니다. 우리는 이 감도를 사용하여 큐비트가 서로 상호 작용하거나 얽히게 하고 2큐비트 장치를 만들었습니다. 이것은 기존 컴퓨터에 비해 처리 능력에서 양자 속도 향상을 활용할 수 있도록 많은 큐비트가 상호 작용하도록 하는 궁극적인 목표를 달성하는 방법을 이해하는 데 중요한 단계입니다.

2큐비트 장치를 만들기 위해 우리는 현미경을 사용하여 개별 티타늄 원자를 보고 문자 그대로 만지며 원하는 원자 위치로 정확하게 밀어 넣습니다. 이를 통해 아래 그림과 같이 정확하게 선택된 간격으로 두 개의 원자로 구성된 공학적 구조를 구축할 수 있습니다.

그림 2 . 1 나노미터 떨어진 곳에 위치한 두 개의 티타늄 원자의 이미지로 복잡한 양자 작업을 수행하는 데 사용됩니다.

냉장고 자석 2개를 합치면 어떻게 잡느냐에 따라 끌어당기거나 밀어냅니다. 이 표면에 있는 두 개의 티타늄 원자에 대해서도 유사한 물리학이 적용되며, 그들 사이의 작은 자기력이 정렬하여 반대 방향을 가리킵니다. 두 원자 사이의 이 자기력에 대한 전문 용어는 양자 교환 상호 작용입니다.

이러한 양자 상호작용으로 인해 두 큐비트는 양자 얽힘 상태를 형성할 수 있다. 얽힌 상태는 한 큐비트의 상태가 다른 큐비트의 상태와 직접적으로 관련되어 있는 양자 패턴입니다. 너무 얽혀서 한 원자의 상태를 동시에 설명하지 않고는 기술적으로 불가능합니다. 이러한 얽힘의 속성은 양자 컴퓨팅의 힘의 핵심입니다. 우리는 원자 사이의 거리를 조정하고 원자를 제어하는 ​​전파의 지속 시간과 주파수를 선택하여 이러한 얽힘의 속성을 제어할 수 있습니다.

펄스 스핀 공명을 통한 양자 중첩 및 얽힘 제어는 이제 우리가 연구할 수 있는 두 가지 예에 불과합니다. 예를 들어, 더 많은 원자를 얽히면 양자 결맞음의 원인이 되는 이론을 테스트할 수 있습니다. 어디에서 어떻게 발생합니까? 어떻게 줄일 수 있습니까? 화학자들은 자기 분자와 인공 양자 물질의 디자인을 테스트할 수 있습니다. 원자 배열에 펄스 스핀 공명을 사용하는 이 획기적인 기술은 새로운 컴퓨팅 기술로 이어질 수 있는 다수의 양자 자기 특성을 테스트할 수 있는 아날로그 양자 시뮬레이터를 제공합니다.

표면에 있는 개별 원자의 일관된 스핀 조작 카이양, 윌리엄 폴, 박수현, 필립 윌케, 배유정, 최태영, 타네르 에사트, 아르장 아르다반, 안드레아스 J. 하인리히, 크리스토퍼 P. 러츠, 과학 366, 509 (2019)