Gli spin atomici su una superficie sono buoni bit quantici

I singoli atomi su una superficie possono essere usati come bit quantici (qubit) per applicazioni di calcolo quantistico. Questa è l’affermazione degli scienziati di IBM Research che hanno dimostrato di poter controllare le posizioni di ciascun qubit con precisione atomica manipolando gli atomi in un microscopio a scansione a tunnel (STM). Il controllo della posizione di questi qubit consente inoltre al team di modificare le interazioni tra coppie di atomi.

“Questo lavoro è un passo importante verso l’utilizzo di spin su una superficie come qubit per il calcolo quantistico”, ha dichiarato il membro del team Andreas Heinrich a Physics World . “La STM ci consente di costruire strutture essenzialmente arbitrarie di tali atomi, il che ci consente di controllare con quanta forza interagiranno tra loro.”

bit quantistici
La “danza quantistica” di un singolo atomo di titanio. Per gentile concessione: IBM Research

I computer classici fanno uso di bit che possono avere uno di due valori, “0” o “1”. Oltre a prendere questi valori distinti, negli stati quantici possono esistere anche qubit che sono contemporaneamente sovrapposizioni di “0” e “1”. Un computer quantistico ricavato da tali qubit può risolvere alcuni problemi in modo più rapido ed efficiente rispetto ai computer classici convenzionali. Tuttavia, la natura quantistica dei qubit (la loro coerenza quantistica) è estremamente fragile e può essere facilmente distrutta dalle interazioni con l’ambiente circostante.

Oscillazioni di Rabi

Ora, i ricercatori IBM guidati da Christopher Lutz  hanno usato la rotazione magnetica di un atomo di titanio per creare un qubit che può puntare verso l’alto (0) o verso il basso (1). Posizionarono l’atomo su uno strato ultrasottile di ossido di magnesio per proteggere la natura quantistica della sua rotazione e lo persuasero in uno stato di sovrapposizione quantistica scelto. Lo hanno fatto applicando un campo elettrico variabile nel tempo con una frequenza nella gamma delle microonde all’atomo di titanio. Queste microonde provengono dalla punta dell’STM e guidano la direzione magnetica dell’atomo.

“Quando sintonizzato sulla giusta frequenza, questo campo può ruotare la rotazione dei singoli atomi su qualsiasi angolo, dove l’angolo di rotazione dipende dalla durata di applicazione delle microonde”, spiega Lutz. “Questa oscillazione di Rabi richiede solo circa 20 ns per commutare il qubit tra 0 e 1 e poi di nuovo indietro. Questa tecnica è nota come risonanza di spin elettronico (ESR) ed è ampiamente utilizzata per misurare le proprietà dei materiali magnetici. Qui l’abbiamo applicato ai singoli atomi. ”

Alla fine del processo, l’atomo punta in una direzione 0 o 1 o in una sovrapposizione, a seconda di quanto tempo i ricercatori applicano le microonde. “La tecnica può creare qualsiasi stato di sovrapposizione che vogliamo e possiamo controllare e osservare queste rotazioni di spin usando l’estrema sensibilità dell’STM”, afferma Lutz.

Questo nuovo lavoro si basa su un’importante svolta dello stesso gruppo nel 2015, in cui ha combinato ESR e STM e ha utilizzato una tensione tra la punta del microscopio e il campione come campo guida. Questa tensione oscillava alle frequenze di gigahertz e guidava la risonanza di spin del singolo atomo di ferro posizionato su un film di ossido di magnesio. “Ora dimostriamo che possiamo guidare in modo coerente lo spin degli atomi di titanio utilizzando le frequenze delle microonde ed eseguire diverse rotazioni di spin coerenti (perfettamente deterministiche) degli spin prima che la loro coerenza quantistica venga persa”, afferma Heinrich.

Rotazione più veloce dello spin

Maggiore è l’ampiezza delle microonde, più veloce ruota la rotazione, aggiunge. “Per guidare rapidamente queste oscillazioni da spin-up a spin down, abbiamo quindi semplicemente acceso il microonde e mantenuto un’ampiezza elevata per 20 ns. L’oscillazione di Rabi è un passaggio fondamentale per la creazione di sovrapposizioni quantistiche e per dimostrare che possiamo usare determinati sistemi quantistici come qubit. ”

La storia non finisce qui. Poiché questi qubit a singolo atomo sono altamente sensibili ai campi magnetici, potrebbero anche essere usati come sensori quantici per misurare il magnetismo debole o i campi elettrici degli atomi vicini, affermano i ricercatori. “In combinazione con la nostra capacità di spostare gli atomi con precisione su scala atomica con la punta di un STM – una tecnica che è stata introdotta in IBM – ora possiamo anche sondare i campi magnetici o elettrici di nanostrutture ingegnerizzate o molecole sconosciute con precisione su scala atomica “, Dice Lutz.

Il team, che comprende ricercatori del Center for Quantum Nanoscience presso l’Institute for Basic Science (IBS) e la Ewha Womans University , entrambi a Seoul in Corea, e il Clarendon Laboratory dell’Università di Oxford nel Regno Unito, ora prevede di ottimizzare il ambiente locale dei qubit atomici per migliorare il loro tempo di coerenza quantistica. “Ad esempio, proveremo diverse superfici e tipi di atomi magnetici”, afferma Lutz. “Vorremmo anche progettare e costruire strutture atomiche contenenti più atomi magnetici per esplorare l’entanglement quantistico per le simulazioni quantistiche.”

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