Cawan Suci Komputasi Kuantum: Mewujudkan Qubit yang Dilindungi Secara Topologi

Sebuah tim fisikawan telah berhasil menciptakan sifat superkonduktor dalam material yang diketahui hanya menghantarkan listrik di 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 kondisi eksperimen yang cermat.

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.

Anomali Kuantum Efek Hall dan Superkonduktivitas

Superkonduktivitas adalah fenomena di mana listrik mengalir tanpa hambatan dalam material tertentu. Efek Hall anomali kuantum adalah fenomena lain yang juga menyebabkan resistansi nol, tetapi dengan sedikit perubahan: efek ini terbatas pada tepi daripada menyebar ke seluruh material. 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 dari resistansi. 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 Kiral Majorana

Anjana Uday, peneliti PhD tahun akhir di kelompok Profesor Dr Yoichi Ando dan penulis pertama makalah ini, menjelaskan, “Untuk penelitian ini, kami menggunakan lapisan tipis isolator Hall anomali kuantum yang dihubungkan dengan elektroda Niobium superkonduktor dan mencoba menginduksi keadaan Majorana kiral di tepinya. Setelah lima tahun kerja keras, kami akhirnya dapat mencapai tujuan ini: Ketika kami menyuntikkan elektron ke satu terminal bahan isolator, elektron tersebut memantul di terminal lainnya, bukan sebagai elektron tetapi sebagai lubang, yang pada dasarnya adalah bayangan elektron dengan muatan yang berlawanan. Kami menyebut fenomena ini refleksi Andreev bersilangan, dan hal itu 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 sebelumnya. Kunci keberhasilan kami adalah pengendapan lapisan film isolator Hall anomali kuantum, setiap langkah pembuatan perangkat, dan 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, dan Forschungszentrum Jülich. Yang terakhir memberikan dukungan teoritis 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 keberadaan fermion Majorana kiral dan menjelaskan sifat-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 menuju 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