Penelitian baru yang menyelidiki qubit elektron-pada-neon-padat mengungkapkan bahwa tonjolan kecil pada permukaan neon padat menciptakan keadaan kuantum yang stabil, yang memungkinkan manipulasi yang tepat. Penelitian ini, yang didukung oleh berbagai landasan, menggarisbawahi pentingnya mengoptimalkan fabrikasi qubit, yang membawa kita lebih dekat ke solusi komputasi kuantum yang praktis.
Penelitian terbaru telah memajukan pengembangan qubit elektron-pada-neon-padat, mengungkapkan wawasan utama yang meningkatkan komputasi kuantum dengan memperpanjang 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.
Tetapi untuk membangun komputer kuantum yang efektif, Anda memerlukan bit kuantum yang andal, atau qubit, yang dapat berada dalam keadaan 0 atau 1 secara bersamaan selama periode waktu yang cukup lama, yang dikenal sebagai waktu koherensinya.
Salah satu pendekatan yang menjanjikan adalah dengan 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 dalam Surat Tinjauan Fisik menunjukkan wawasan baru tentang keadaan kuantum yang menggambarkan kondisi elektron dalam qubit ini, informasi yang dapat membantu para insinyur membangun teknologi inovatif ini.
Diagram bit kuantum elektron dalam neon padat. Kredit: Courtesy of Wei Guo
Dinamika Keadaan Kuantum dan Desain Qubit
Tim Guo menemukan bahwa benjolan kecil pada permukaan neon padat dalam qubit secara alami dapat mengikat elektron, 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 berukuran tertentu, energi transisi elektron — jumlah energi yang dibutuhkan elektron untuk berpindah dari satu keadaan cincin kuantum ke keadaan cincin lainnya — selaras dengan energi foton gelombang mikro, partikel elementer lainnya.
Wei Guo, seorang profesor di Departemen Teknik Mesin di Fakultas Teknik FAMU-FSU. Kredit: Mark Wallheiser/Fakultas Teknik FAMU-FSU
Penyelarasan ini memungkinkan manipulasi elektron yang terkendali, yang diperlukan untuk komputasi kuantum.
“Karya ini secara signifikan memajukan pemahaman kita tentang mekanisme penangkapan elektron pada platform komputasi kuantum yang menjanjikan,” kata Guo. “Karya 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 kolaborator menunjukkan kelayakan platform qubit elektron tunggal solid-state menggunakan elektron yang terperangkap dalam neon padat. Studi saat ini menunjukkan waktu koherensi 0,1 milidetik, atau 100 kali lebih lama dari 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 inersia 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 lebih lanjut qubit elektron-pada-neon-padat.
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. Para desainer menginginkan tonjolan yang terjadi secara alami di permukaan yang akan menarik muatan listrik latar belakang yang mengganggu. Pada saat yang sama, menciptakan tonjolan dengan ukuran yang tepat di dalam resonator gelombang mikro qubit secara sengaja meningkatkan kemampuannya 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 tinggi presisi yang dapat kita capai, dan semakin dekat kita dengan komputasi kuantum yang dapat menyelesaikan 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 Tinjauan 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.
NewsRoom.id
