Qubit berumur panjang bertahan sebagai 'pulau' di lingkungan yang bising – Dunia Fisika

Lamanya waktu bit kuantum (qubit) mempertahankan sifat kuantumnya sangat penting untuk komputasi kuantum karena menentukan jumlah dan kompleksitas komputasi yang dapat dilakukan. Selama beberapa dekade, anggapan umum adalah bahwa meningkatkan waktu koherensi berarti melindungi qubit satu sama lain dan dari gangguan eksternal. Namun kini, para peneliti di Paul Scherrer Institute di Swiss, ETH Zurich, dan EPF Lausanne telah mengubah gagasan ini dengan menunjukkan bahwa beberapa qubit dapat bertahan lebih lama di lingkungan yang bising.

Seperti komputer klasik yang menyimpan informasi dalam bit yang memiliki nilai 0 atau 1, komputasi kuantum bergantung pada sistem yang ada dalam dua kemungkinan keadaan. Perbedaannya adalah qubit juga dapat berada dalam superposisi kedua keadaan ini. Ambiguitas inilah yang memungkinkan mereka melakukan kalkulasi tertentu jauh lebih cepat dibandingkan mesin klasik, namun keadaan kuantum rapuh dan cenderung terdekohere – yang berarti mereka kembali berperilaku seperti 0 dan 1 klasik, sehingga kehilangan informasi kuantum yang berharga.

Dalam karya terbarunya, peneliti dipimpin oleh ilmuwan fotonik Gabriel Aeppli mempelajari qubit keadaan padat yang terbuat dari ion terbium yang diolah menjadi kristal yttrium litium fluorida (YLiF₄). Ion-ion ini memiliki dua tingkat kuantum dataran rendah dengan perbedaan energi dalam domain frekuensi komunikasi 5G, dan sistem dua keadaan inilah yang digunakan para peneliti sebagai qubitnya. Mereka menemukan bahwa meskipun sebagian besar qubit hanya mengalami waktu koherensi rata-rata, beberapa qubit yang terbentuk dalam pasangan ion terbium yang terletak berdekatan ternyata “sangat koheren”.

Puncak yang tajam dan berbeda

Para peneliti mengamati qubit koheren yang luar biasa ini menggunakan spektroskopi gelombang mikro dan probe spin echo, yang secara rutin digunakan untuk mengukur waktu koherensi. Mereka menemukan puncak yang sangat tajam dan berbeda dalam pengukuran gemanya, yang berhubungan dengan waktu koherensi yang jauh lebih lama (100 kali lipat lebih lama dalam beberapa kasus) untuk qubit ion berpasangan dibandingkan qubit yang terletak pada jarak rata-rata dari tetangganya. Tim menjelaskan waktu koherensi yang panjang ini dengan mencatat bahwa ion-ion yang berpasangan tidak dapat bertukar energi dengan ion-ion tunggal di dekatnya dan dengan demikian tidak terganggu oleh interaksi dengan ion-ion tersebut.

“Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuktikan bahwa adalah mungkin untuk menghasilkan superposisi koheren kuantum dari tingkat medan kristal (organisasi elektron berenergi rendah yang berbeda pada ion tanah jarang), bahkan pada konsentrasi ion yang cukup tinggi,” jelasnya. anggota tim Markus Muller. “Pada awalnya, sama sekali tidak jelas apakah kita akan dapat melihat koherensi apa pun dalam lingkungan yang bising seperti itu dan merupakan penemuan yang tidak terduga bahwa koherensi sangat tidak seragam di antara entitas yang didoping dan bahwa 'pulau' dengan koherensi tinggi dapat bertahan hidup."

Penemuan ini dapat memberi masukan pada desain arsitektur komputasi kuantum, tambahnya – terutama untuk skema di mana qubit ditanamkan secara acak ke dalam matriks host. Aplikasi potensial lainnya termasuk penggunaan qubit sebagai sensor kuantum untuk dinamika magnetik di lingkungannya. Hal ini mungkin, misalnya, memungkinkan para peneliti untuk menyelidiki kecepatan difusi putaran dalam sistem berpasangan dipolar secara acak dalam studi lokalisasi banyak benda dan peran interaksi dipolar dalam menurunkannya.

Mengoptimalkan sensitivitas pasangan qubit

Ke depan, para peneliti bertujuan untuk mengoptimalkan sensitivitas pasangan qubit mereka dan menciptakan kembali superposisi kuantum keadaan elektro-nuklir lokal dalam bahan inang yang bebas dari putaran nuklir. Menghapus putaran nuklir akan meminimalkan sumber kebisingan magnetik yang tidak diinginkan, yang ada di YLiF₄ muncul terutama dari putaran atom fluor.

Biaya qubit mendapat peningkatan seribu kali lipat

“Kami juga akan mencoba mencapai superposisi koheren serupa dari keadaan ion dengan momentum sudut berbeda” ungkap Müller. “Ini akan memperluas rentang frekuensi eksitasi dari wilayah gelombang mikro (30 GHz) yang saat ini kami gunakan ke rentang optik, di mana ketersediaan laser yang kuat memungkinkan waktu eksitasi yang lebih cepat (frekuensi Rabi). Memang benar, kami telah memperoleh hasil awal yang menjanjikan dalam hal ini.”

Tim juga menjajaki cara menggunakan pasangan dopan dalam konteks pemrosesan informasi kuantum atau komputasi dengan dopan dalam silikon.

Studi ini dirinci dalam Fisika Alam.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/