Pengaturan gelombang mikro kriogenik digunakan untuk pengukuran perangkat kuantum. Kredit: Qinu GmbH, qinu.de
Bit kuantum dapat dideskripsikan lebih tepat dengan bantuan harmonik yang baru ditemukan seperti yang dilaporkan oleh tim yang terdiri dari 30 peneliti di Fisika Alam.
Fisikawan telah menemukan bahwa persimpangan terowongan Josephson – bahan penyusun komputer kuantum superkonduktor – lebih kompleks dari yang diperkirakan sebelumnya. Sama seperti nada tambahan pada alat musik, harmonik ditumpangkan pada mode fundamental. Konsekuensinya, koreksi dapat menghasilkan bit kuantum yang 2 hingga 7 kali lebih stabil. Para peneliti mendukung temuan mereka dengan bukti eksperimental dari laboratorium di seluruh dunia, termasuk Universitas Cologne, Ecole Normale Supérieure di Paris, dan IBM Quantum di New York.
Sebuah Terobosan Kolaboratif
Semuanya dimulai pada tahun 2019, ketika Dennis Willsch dan Dennis Rieger – dua mahasiswa PhD dari FZJ dan KIT pada saat itu dan penulis pertama makalah ini – mengalami kesulitan memahami eksperimen mereka menggunakan model standar untuk persimpangan terowongan Josephson. Model ini memenangkan Brian Josephson Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1973.
Ingin mengungkap hal ini, tim yang dipimpin oleh Ioan Pop memeriksa data lebih lanjut dari Ecole Normale Supérieure di Paris dan perangkat 27-qubit di IBM Quantum di New York, serta data dari eksperimen yang dipublikasikan sebelumnya. Secara independen, peneliti dari Universitas Cologne mengamati penyimpangan serupa pada data mereka dari model standar.
“Untungnya, Gianluigi Catelani, yang terlibat dalam kedua proyek tersebut dan menyadari adanya tumpang tindih, menyatukan tim peneliti!” kenang Dennis Willsch dari FZ Jülich. “Waktunya tepat sekali,” tambah Chris Dickel dari Universitas Cologne, “karena, pada saat itu, kami sedang menyelidiki konsekuensi yang sangat berbeda dari masalah mendasar yang sama.”
Bawah: Dengan mengeksitasi rangkaian superkonduktor (kuning/biru) dengan sinyal gelombang mikro (panah merah), para peneliti dapat menganalisis persamaan fundamental yang menggambarkan persimpangan terowongan Josephson pada rangkaian tersebut. Bagian kanan: Para peneliti telah mengamati penyimpangan yang signifikan (kurva merah) dari model sinusoidal standar (kurva hijau). Kiri: perluasan skema persimpangan terowongan yang terdiri dari dua superkonduktor (kuning/biru) dengan penghalang isolasi tipis di antara keduanya. Saluran konduksi besar (loop merah) bertanggung jawab atas penyimpangan yang diamati dari model standar. Kredit: Dennis Rieger, Patrick Winkel
Harmonisa dalam Quantum Bits
Persimpangan terowongan Josephson terdiri dari dua superkonduktor dengan penghalang isolasi tipis di antara keduanya dan, selama beberapa dekade, elemen rangkaian ini telah dijelaskan dengan model sinusoidal sederhana.
Namun, seperti yang ditunjukkan para peneliti, “model standar” ini gagal menggambarkan sepenuhnya persimpangan Josephson yang digunakan untuk membangun bit kuantum. Sebaliknya, model yang diperluas yang mencakup harmonisa yang lebih tinggi diperlukan untuk menggambarkan arus terowongan antara dua superkonduktor. Prinsip ini juga dapat ditemukan dalam bidang musik. Ketika senar suatu instrumen dipukul, frekuensi dasar dilapis oleh beberapa nada tambahan harmonis.
“Senang sekali pengukuran di masyarakat sudah mencapai level tersebut ketepatan di mana kami dapat menyelesaikan koreksi kecil ini pada model yang dianggap memadai selama lebih dari 15 tahun,” kata Dennis Rieger.
Implikasi untuk Komputasi Kuantum
Ketika empat profesor koordinator – Ioan Pop dari KIT dan Gianluigi Catelani, Kristel Michielsen, dan David DiVincenzo dari FZJ – menyadari dampak dari temuan ini, mereka mengumpulkan kolaborasi besar para eksperimentalis, ahli teori, dan ilmuwan material, untuk bergabung dalam upaya mereka dalam menyajikan kasus yang menarik bagi model harmonik Josephson. Dalam publikasi Nature Physics, para peneliti mengeksplorasi asal usul dan konsekuensi harmonik Josephson.
“Sebagai konsekuensi langsungnya, kami percaya bahwa harmonik Josephson akan membantu rekayasa bit kuantum yang lebih baik dan lebih andal dengan mengurangi kesalahan hingga batas tertentu, membawa kita selangkah lebih dekat ke impian komputer kuantum superkonduktor universal,” dua yang pertama penulis menyimpulkan.
Referensi: “Pengamatan harmonik Josephson di persimpangan terowongan” oleh Dennis Willsch, Dennis Rieger, Patrick Winkel, Madita Willsch, Christian Dickel, Jonas Krause, Yoichi Ando,Raphaël Lescanne, Zaki Leghtas, Nicholas T. Bronn, Pratiti Deb , Olivia Lanes, Zlatko K. Minev, Benedikt Dennig, Simon Geisert, Simon Günzler, Sören Ihssen, Patrick Paluch, Thomas Reisinger, Roudy Hanna, Jin Hee Bae, Peter Schüffelgen, Detlev Grützmacher, Luiza Buimaga-Iarinca, Cristian Morari, Wolfgang Wernsdorfer , David P. DiVincenzo, Kristel Michielsen, Gianluigi Catelani dan Ioan M. Pop, 14 Februari 2024, Fisika Alam.
DOI: 10.1038/s41567-024-02400-8
NewsRoom.id
