Platform Komputasi Tiga-qubit Terbuat Dari Putaran Elektron

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Qubit putaran elektron — Platform beberapa qubit: dalam diagram ini, ujung STM yang dilapisi besi (atas) mengoperasikan sensor spin qubit. Juga ditampilkan spin qubit jarak jauh, yang disejajarkan oleh medan magnet atom besi di dekatnya. (Sumber: Institut Ilmu Pengetahuan Dasar)

Platform komputasi kuantum yang mampu mengoperasikan beberapa bit kuantum (qubit) berbasis spin secara simultan telah diciptakan oleh para peneliti di Korea Selatan. Dirancang oleh Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andreas Heinrich dan rekan-rekannya di Institute for Basic Science di Seoul, sistem ini dirakit atom demi atom menggunakan scanning tunnelingmicroscope (STM).

Meskipun komputer kuantum masa depan seharusnya mampu mengungguli komputer konvensional dalam tugas-tugas tertentu, prosesor kuantum yang baru lahir saat ini masih terlalu kecil dan berisik untuk melakukan perhitungan praktis. Masih banyak lagi yang harus dilakukan untuk menciptakan platform qubit yang dapat menyimpan informasi cukup lama agar komputer kuantum dapat berfungsi.

Qubit telah dikembangkan menggunakan beberapa teknologi berbeda, termasuk sirkuit superkomputer dan ion yang terperangkap. Beberapa fisikawan juga tertarik untuk membuat qubit menggunakan putaran elektron individu – tetapi qubit tersebut tidak secanggih beberapa qubit lainnya. Namun, itu tidak berarti bahwa qubit berbasis spin tidak lagi digunakan.

“Pada titik ini, semua platform komputasi kuantum yang ada memiliki kelemahan besar, jadi sangat penting untuk menyelidiki pendekatan baru,” jelas Heinrich.

Perakitan yang tepat

Untuk menciptakan prosesor berbasis spin yang layak, qubit harus dirakit secara tepat, digabungkan secara andal, dan dioperasikan dengan cara yang koheren kuantum, semuanya pada platform yang sama. Hal ini adalah sesuatu yang sejauh ini luput dari perhatian para peneliti, hingga saat ini – menurut tim yang berbasis di Seoul.

Para peneliti menciptakan platform multi-qubit dengan bantuan STM, yang merupakan alat canggih untuk menggambarkan dan memanipulasi materi pada skala atom. Ketika ujung penghantar STM didekatkan ke permukaan sampel, elektron dapat melakukan terowongan mekanis kuantum antara ujung dan permukaan sampel.

Karena kemungkinan penerowongan sangat bergantung pada jarak antara ujung dan permukaan, STM dapat memetakan topografi skala nano sampel dengan mengukur arus elektron penerowongan ini. Atom individu di permukaan juga dapat dimanipulasi dan dirakit dengan mendorongnya menggunakan gaya skala nano yang diterapkan pada ujungnya.

Dengan menggunakan kemampuan ini, tim telah “mendemonstrasikan platform qubit pertama dengan presisi skala atom,” menurut Heinrich. “Hal ini didasarkan pada putaran elektron pada permukaan, yang dapat ditempatkan pada jarak atom yang tepat satu sama lain.”

Sensor qubit

Dengan menggunakan STM, para peneliti merakit sistem mereka pada permukaan murni film bilayer magnesium oksida. Sistem ini mencakup qubit “sensor”, yang merupakan atom titanium spin-1/2 yang terletak tepat di bawah ujung STM. Ujungnya dilapisi atom besi, sehingga dapat digunakan untuk menerapkan medan magnet lokal (lihat gambar).

Di kedua sisi ujungnya terdapat sepasang qubit “jarak jauh” – juga memutar 1/2 atom titanium. Ini ditempatkan pada jarak yang tepat dari qubit sensor, di luar wilayah di mana penerowongan elektron antar atom dapat terjadi.

Untuk mengontrol qubit jarak jauh secara bersamaan dengan qubit sensor, tim menciptakan gradien medan magnet dengan menempatkan atom besi di dekatnya. Atom besi berperilaku seperti magnet atom tunggal karena waktu relaksasi putarannya jauh melebihi waktu operasi masing-masing qubit.

Dengan cara ini, masing-masing atom besi bertindak sebagai pengganti ujung STM dalam menyediakan medan magnet lokal statis untuk menyelaraskan putaran setiap qubit jarak jauh. Transisi antara keadaan putaran qubit dilakukan dengan menggunakan ujung STM untuk menerapkan pulsa frekuensi radio ke sistem – suatu teknik yang disebut resonansi putaran elektron.

Ditangani dan dimanipulasi

Tim menginisialisasi qubit mereka dengan mendinginkannya hingga 0.4 K, kemudian menerapkan medan magnet eksternal untuk membawanya ke keadaan putaran yang sama dan menggabungkannya. Setelah itu, status qubit sensor sangat bergantung pada status kedua qubit jarak jauh, namun masih dapat ditangani dan dimanipulasi secara individual oleh ujung STM.

Hasil keseluruhannya adalah platform qubit baru yang memungkinkan beberapa qubit dioperasikan secara bersamaan. “Studi kami telah mencapai gerbang qubit tunggal, dua qubit, dan tiga qubit dengan koherensi kuantum yang baik,” kata Heinrich.

Ia menambahkan bahwa, “platform ini memiliki pro dan kontra. Kelebihannya, ini tepat secara atom sehingga dapat dengan mudah diduplikasi. Di sisi negatifnya, koherensi kuantumnya bagus tetapi perlu ditingkatkan lebih lanjut.”

Jika tantangan ini dapat diatasi, Heinrich dan rekannya melihat masa depan yang cerah untuk sistem mereka.

“Kami percaya bahwa pendekatan ini dapat dengan mudah ditingkatkan hingga puluhan qubit elektron,” kata Heinrich. “Putaran elektron tersebut juga dapat digabungkan secara terkendali ke putaran nuklir yang memungkinkan koreksi kesalahan kuantum yang efisien dan meningkatkan ruang Hilbert yang tersedia untuk operasi kuantum. Kami baru saja menyentuh permukaannya!”

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Ilmu.