Fisikawan Mengembangkan Perangkat Terobosan untuk Komputasi Kuantum Tingkat Lanjut

Para peneliti telah membuat kemajuan signifikan dalam hal ini komputasi kuantum dengan mengadaptasi sirkulasi gelombang mikro untuk secara tepat mengontrol non-timbal balik antara qubit dan rongga resonansi. Inovasi ini tidak hanya meningkatkan kontrol pada komputer kuantum tetapi juga menyederhanakan model teoritis untuk penelitian masa depan.

Para ilmuwan yang dipimpin oleh University of Massachusetts Amherst telah mengadaptasi perangkat yang disebut microwave circulator untuk digunakan dalam komputer kuantum, sehingga memungkinkan mereka untuk pertama kalinya menyesuaikan secara tepat tingkat non-timbal balik antara qubit, unit dasar komputasi kuantum, dan gelombang mikro. -rongga resonansi. Kemampuan untuk secara tepat menyesuaikan tingkat non-timbal balik merupakan alat penting yang harus dimiliki dalam pemrosesan informasi kuantum.

Dalam melakukan hal ini, tim, termasuk kolaborator dari Universitas Chicago, menghasilkan teori umum dan dapat diterapkan secara luas yang menyederhanakan dan memperluas pemahaman lama tentang non-timbal balik sehingga pekerjaan di masa depan mengenai topik serupa dapat memanfaatkan model tim, bahkan ketika menggunakan komponen dan platform yang berbeda. Penelitian ini dipublikasikan baru-baru ini di Kemajuan dalam Sains.

Komputasi kuantum pada dasarnya berbeda dari komputasi berbasis bit yang kita lakukan setiap hari. Bit adalah sepotong informasi yang biasanya dinyatakan sebagai 0 atau 1. Bit adalah dasar dari semua perangkat lunak, situs web, dan email yang membentuk dunia elektronik kita.

Sebaliknya, komputasi kuantum bergantung pada “bit kuantum”, atau “qubit”, yang mirip dengan bit biasa, hanya saja bit tersebut diwakili oleh “superposisi kuantum” dari dua keadaan objek kuantum. Materi dalam keadaan kuantum berperilaku sangat berbeda, yang berarti bahwa qubit bukan hanya 0 atau 1—mereka bisa ada pada saat yang sama dengan cara yang terdengar seperti sihir, namun didefinisikan dengan baik oleh hukum kuantum. mekanika. Properti superposisi kuantum ini mengarah pada peningkatan kemampuan daya komputer kuantum.

Selain itu, properti yang disebut “nonreciprocity” dapat menciptakan peluang tambahan bagi komputasi kuantum untuk memanfaatkan potensi dunia kuantum.

“Bayangkan percakapan antara dua orang,” kata Sean van Geldern, mahasiswa pascasarjana fisika di UMass Amherst dan salah satu penulis makalah tersebut. “Timbal balik total adalah ketika setiap orang dalam percakapan berbagi jumlah informasi yang sama. Non-timbal balik adalah ketika satu orang berbagi lebih sedikit dari yang lain.”

“Hal ini diinginkan dalam komputasi kuantum,” kata penulis senior Chen Wang, asisten profesor fisika di UMass Amherst, “karena ada banyak skenario komputasi di mana Anda ingin memberikan banyak akses ke data tanpa memberi siapa pun kekuatan untuk mengubah atau menurunkannya. dia. data.”

Untuk mengendalikan non-timbal balik, penulis utama Ying-Ying Wang, seorang mahasiswa pascasarjana fisika di UMass Amherst, dan rekan penulisnya menjalankan serangkaian simulasi untuk menentukan desain dan properti yang diperlukan sirkulasi mereka agar dapat bervariasi. ketidak-timbal balik mereka. Mereka kemudian membangun sirkulasi dan menjalankan sejumlah eksperimen tidak hanya untuk membuktikan konsep mereka, namun untuk memahami dengan tepat bagaimana perangkat mereka memungkinkan terjadinya non-timbal balik. Dalam prosesnya, mereka dapat merevisi model mereka, yang berisi 16 parameter yang merinci cara membangun perangkat spesifik mereka, menjadi model yang lebih sederhana dan umum yang hanya terdiri dari enam parameter. Model revisi yang lebih umum ini jauh lebih berguna dibandingkan model awal yang lebih spesifik, karena dapat diterapkan secara luas pada berbagai upaya penelitian di masa depan.

“Perangkat non-timbal balik terintegrasi” yang dibuat tim terlihat seperti huruf “Y.” Di tengah-tengah “Y” terdapat sebuah sirkulator, yang seperti lingkaran lalu lintas sinyal gelombang mikro yang memediasi interaksi kuantum. Salah satu kakinya adalah port rongga, rongga superkonduktor resonansi yang menampung medan elektromagnetik. Kaki “Y” lainnya menampung qubit, dicetak pada chip safir. Kaki terakhir adalah port keluaran.

“Jika kita memvariasikan medan elektromagnetik superkonduktor dengan membombardirnya dengan foton,” kata Ying-Ying Wang, “kita melihat bahwa qubit bereaksi dengan cara yang dapat diprediksi dan dikendalikan, yang berarti kita dapat menyesuaikan dengan tepat seberapa besar timbal balik yang kita inginkan. Dan model sederhana yang kami hasilkan menggambarkan sistem kami sedemikian rupa sehingga parameter eksternal dapat dihitung untuk menyesuaikan tingkat non-timbal balik yang sesuai.”

“Ini adalah demonstrasi pertama dalam menanamkan non-reseptivitas ke dalam perangkat komputasi kuantum,” kata Chen Wang, “dan ini membuka pintu bagi rekayasa perangkat keras komputasi kuantum yang lebih maju.”

Referensi: “Dispersive nonreciprocity antara qubit dan rongga” oleh Ying-Ying Wang, Yu-Xin Wang, Sean van Geldern, Thomas Connolly, Aashish A. Clerk dan Chen Wang, 17 April 2024, Kemajuan dalam Sains.
DOI: 10.1126/sciadv.adj8796

Pendanaan untuk penelitian ini disediakan oleh Departemen Energi AS, Kantor Penelitian Angkatan Darat, Yayasan Simons, Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara, Yayasan Sains Nasional AS, dan Laboratorium Kolaborasi Qubit Ilmu Fisika.