Atom menghilang dapat merusak perhitungan kuantum. Para ilmuwan memiliki rencana baru untuk menemukan kebocoran. Komputer kuantum menghadapi tantangan besar: atom, yang berfungsi sebagai qubit mereka, dapat menghilang tanpa peringatan, perhitungan korupsi. Para peneliti telah mengembangkan metode inovatif untuk mendeteksi masalah ini dalam sistem kuantum atom netral tanpa mengganggu keadaan mereka. Penemuan ini membantu mengatasi (…)

RisalahPos.com Network

Related

Sebuah tim fisikawan telah berhasil menciptakan sifat superkonduktor pada material yang diketahui hanya menghantarkan listrik pada bagian tepinya, menandai lompatan maju yang potensial dalam komputasi kuantum teknologi.

Pencapaian ini, yang telah luput dari perhatian para peneliti selama lebih dari satu dekade, dimungkinkan berkat pengendalian cermat terhadap kondisi eksperimen.

Terobosan Kuantum

Sebuah tim fisikawan eksperimental yang dipimpin oleh Universitas Cologne telah menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk menciptakan efek superkonduktor dalam material khusus yang dikenal karena sifat listriknya yang unik. Penemuan ini memberikan cara baru untuk mengeksplorasi status kuantum tingkat lanjut yang dapat menjadi penting untuk mengembangkan komputer kuantum yang stabil dan efisien. Studi mereka, berjudul ‘Korelasi superkonduktor terinduksi dalam isolator Hall anomali kuantum’, telah dipublikasikan di Fisika Alam.

Efek Hall Anomali Kuantum dan Superkonduktivitas

Superkonduktivitas adalah fenomena di mana listrik mengalir tanpa hambatan pada material tertentu. Efek Hall anomali kuantum adalah fenomena lain yang juga menyebabkan resistansi nol, tetapi dengan sedikit perubahan: ia terbatas pada tepi daripada menyebar ke seluruh bagian. Teori memprediksi bahwa kombinasi superkonduktivitas dan efek Hall anomali kuantum akan menghasilkan partikel yang dilindungi secara topologi yang disebut fermion Majorana yang berpotensi merevolusi teknologi masa depan seperti komputer kuantum. Kombinasi tersebut dapat dicapai dengan menginduksi superkonduktivitas di tepi isolator Hall anomali kuantum yang sudah bebas hambatan. Keadaan tepi Majorana kiral yang dihasilkan, yang merupakan jenis khusus fermion Majorana, adalah kunci untuk mewujudkan ‘qubit terbang’ (atau bit kuantum) yang dilindungi secara topologi.

Mencapai Keadaan Majorana Kiral

Anjana Uday, peneliti doktoral tahun akhir dalam kelompok Profesor Dr Yoichi Ando dan penulis pertama makalah tersebut, menjelaskan, “Untuk penelitian ini, kami menggunakan lapisan tipis isolator Hall anomali kuantum yang dihubungkan oleh elektroda Niobium superkonduktor dan mencoba menginduksi keadaan Majorana kiral di tepinya. Setelah lima tahun bekerja keras, kami akhirnya dapat mencapai tujuan ini: Ketika kami menyuntikkan elektron ke satu terminal bahan isolator, elektron tersebut memantul di terminal lain, bukan sebagai elektron tetapi sebagai lubang, yang pada dasarnya adalah bayangan elektron dengan muatan berlawanan. Kami menyebut fenomena ini refleksi Andreev bersilangan, dan ini memungkinkan kami untuk mendeteksi superkonduktivitas yang diinduksi dalam keadaan tepi topologi.”

Kunci Sukses dan Kolaborasi

Gertjan Lippertz, seorang peneliti pascadoktoral di kelompok Ando dan salah satu penulis pertama makalah tersebut, menambahkan, “Eksperimen ini telah dicoba oleh banyak kelompok dalam sepuluh tahun terakhir sejak penemuan efek Hall anomali kuantum, tetapi belum ada yang berhasil melakukannya sebelumnya. Kunci keberhasilan kami adalah bahwa pengendapan film isolator Hall anomali kuantum, setiap langkah pembuatan perangkat, serta pengukuran suhu sangat rendah semuanya dilakukan di laboratorium yang sama. Ini tidak mungkin dilakukan di tempat lain.”

Untuk mencapai hasil ini, kelompok Cologne berkolaborasi dengan rekan-rekan di KU Leuven, Universitas Basel, serta Forschungszentrum Jülich. Yang terakhir memberikan dukungan teori dalam Cluster of Excellence Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q). “Cluster telah berperan penting dalam menyediakan kerangka kerja kolaboratif dan sumber daya yang diperlukan untuk terobosan ini,” jelas Yoichi Ando, ​​Profesor Fisika Eksperimental di Universitas Cologne dan juru bicara ML4Q.

Arah Masa Depan dalam Komputasi Kuantum

Penemuan ini membuka banyak jalan untuk penelitian di masa mendatang. Langkah selanjutnya meliputi eksperimen untuk secara langsung mengonfirmasi kemunculan fermion Majorana kiral dan menjelaskan sifat eksotisnya. Memahami dan memanfaatkan superkonduktivitas topologi dan status tepi Majorana kiral dapat merevolusi komputasi kuantum dengan menyediakan qubit stabil yang tidak mudah mengalami dekoherensi dan kehilangan informasi. Platform yang ditunjukkan dalam studi ini menawarkan jalur yang menjanjikan untuk mencapai tujuan ini, yang berpotensi menghasilkan komputer kuantum yang lebih tangguh dan dapat diskalakan.

Referensi: “Korelasi superkonduktor terinduksi dalam isolator Hall anomali kuantum” oleh Anjana Uday, Gertjan Lippertz, Kristof Moors, Henry F. Legg, Rikkie Joris, Andrea Bliesener, Lino MC Pereira, AA Taskin dan Yoichi Ando, ​​10 Juli 2024, Fisika Alam.
DOI: 10.1038/s41567-024-02574-1

Penelitian terbaru telah memajukan pengembangan qubit elektron-pada-neon-padat, mengungkapkan wawasan utama yang meningkatkan komputasi kuantum dengan memperluas waktu koherensi qubit dan mengoptimalkan desainnya.

Komputer kuantum berpotensi menjadi alat revolusioner karena kemampuannya melakukan perhitungan yang memerlukan waktu bertahun-tahun untuk diselesaikan oleh komputer klasik.

Namun untuk membuat komputer kuantum yang efektif, Anda memerlukan bit kuantum, atau qubit, yang dapat diandalkan yang dapat berada dalam keadaan 0 atau 1 secara bersamaan untuk jangka waktu yang cukup lama, yang dikenal sebagai waktu koherensi.

Salah satu pendekatan yang menjanjikan adalah menjebak satu elektron pada permukaan neon padat, yang disebut qubit elektron-pada-neon-padat. Sebuah studi yang dipimpin oleh Profesor Wei Guo dari Fakultas Teknik FAMU-FSU yang diterbitkan di Surat Ulasan Fisik menunjukkan wawasan baru tentang keadaan kuantum yang menggambarkan kondisi elektron pada qubit tersebut, informasi yang dapat membantu para insinyur membangun teknologi inovatif ini.

Dinamika Keadaan Kuantum dan Desain Qubit

Tim Guo menemukan bahwa benjolan kecil pada permukaan neon padat dalam qubit secara alami dapat mengikat elektron, yang menciptakan keadaan kuantum berbentuk cincin dari elektron-elektron ini. Keadaan kuantum mengacu pada berbagai sifat elektron, seperti posisi, momentum, dan karakteristik lainnya, sebelum diukur. Ketika benjolan tersebut berukuran tertentu, energi transisi elektron — jumlah energi yang dibutuhkan elektron untuk berpindah dari satu keadaan cincin kuantum ke keadaan lainnya — selaras dengan energi foton gelombang mikro, partikel elementer lainnya.

Penyelarasan ini memungkinkan manipulasi elektron yang terkendali, yang diperlukan untuk komputasi kuantum.

“Pekerjaan ini secara signifikan memajukan pemahaman kita tentang mekanisme penangkapan elektron pada platform komputasi kuantum yang menjanjikan,” kata Guo. “Pekerjaan ini tidak hanya memperjelas pengamatan eksperimental yang membingungkan tetapi juga memberikan wawasan penting untuk desain, pengoptimalan, dan pengendalian qubit elektron-pada-neon-padat.”

Penelitian sebelumnya oleh Guo dan para kolaborator menunjukkan kelayakan platform qubit elektron tunggal solid-state menggunakan elektron yang terperangkap pada neon padat. Penelitian terkini menunjukkan waktu koherensi sebesar 0,1 milidetik, atau 100 kali lebih lama daripada waktu koherensi tipikal 1 mikrodetik untuk qubit muatan berbasis semikonduktor dan superkonduktor konvensional.

Waktu koherensi menentukan berapa lama sistem kuantum dapat mempertahankan keadaan superposisi — kemampuan sistem untuk berada dalam beberapa keadaan pada saat yang sama hingga diukur, yang merupakan salah satu karakteristik yang memberikan komputer kuantum kemampuan uniknya.

Mengoptimalkan Kinerja Qubit

Waktu koherensi yang diperpanjang dari qubit elektron-pada-neon-padat dapat dikaitkan dengan kelembaman dan kemurnian neon padat. Sistem qubit ini juga mengatasi masalah getaran permukaan cairan, masalah yang melekat pada qubit elektron-pada-helium-cair yang lebih banyak dipelajari. Penelitian saat ini menawarkan wawasan penting untuk mengoptimalkan qubit elektron-pada-neon-padat lebih lanjut.

Bagian penting dari pengoptimalan tersebut adalah menciptakan qubit yang halus melalui sebagian besar permukaan neon padat tetapi memiliki tonjolan dengan ukuran yang tepat di tempat yang dibutuhkan. Desainer menginginkan tonjolan yang terjadi secara alami minimal pada permukaan yang menarik muatan listrik latar belakang yang mengganggu. Pada saat yang sama, secara sengaja membuat tonjolan dengan ukuran yang tepat di dalam resonator gelombang mikro pada qubit meningkatkan kemampuan untuk menjebak elektron.

“Penelitian ini menggarisbawahi kebutuhan penting untuk studi lebih lanjut tentang bagaimana kondisi yang berbeda memengaruhi produksi qubit neon,” kata Guo. “Suhu dan tekanan injeksi neon memengaruhi produk qubit akhir. Semakin banyak kendali yang kita miliki atas proses ini, semakin presisi yang dapat kita buat, dan semakin dekat kita dengan komputasi kuantum yang dapat memecahkan kalkulasi yang saat ini tidak dapat dikelola.”

Referensi: “Qubit Elektron Tunggal Berdasarkan Keadaan Cincin Kuantum pada Permukaan Neon Padat” oleh Toshiaki Kanai, Dafei Jin dan Wei Guo, 18 Juni 2024, Surat Ulasan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.250603

Rekan penulis pada makalah ini adalah Toshiaki Kanai, mantan mahasiswa riset pascasarjana di Departemen Fisika FSU, dan Dafei Jin, seorang profesor madya di Universitas Notre Dame.

Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation, dan Air Force Office of Scientific Research.