Atom yang bergetar membuat qubit yang kuat, fisikawan menemukan

Qubit baru tetap dalam “superposisi” hingga 10 detik, dan dapat menjadi fondasi yang menjanjikan untuk komputer kuantum.

Fisikawan MIT telah menemukan bit kuantum baru, atau “qubit” dalam bentuk pasangan atom yang bergetar yang disebut fermion. Mereka menemukan bahwa ketika pasangan fermion didinginkan dan terperangkap dalam kisi optik, partikel dapat eksis secara bersamaan di dua keadaan — fenomena kuantum aneh yang dikenal sebagai superposisi. Dalam hal ini, atom-atom mengadakan superposisi dari dua keadaan vibrasi, di mana pasangan itu bergoyang satu sama lain sementara juga berayun secara sinkron, pada waktu yang sama.

Tim mampu mempertahankan keadaan superposisi ini di antara ratusan pasangan fermion yang bergetar. Dengan melakukan itu, mereka mencapai “register kuantum” baru, atau sistem qubit, yang tampaknya kuat selama periode waktu yang relatif lama. Penemuan itu, diterbitkan dalam jurnal Alam, menunjukkan bahwa qubit yang goyah seperti itu bisa menjadi fondasi yang menjanjikan untuk masa depan komputer kuantum.

Qubit mewakili unit dasar komputasi kuantum. Di mana bit klasik di komputer saat ini melakukan serangkaian operasi logis mulai dari salah satu dari dua status, 0 atau 1, qubit dapat berada di superposisi kedua status. Sementara dalam keadaan peralihan yang rumit ini, sebuah qubit harus dapat berkomunikasi secara simultan dengan banyak qubit lain dan memproses banyak aliran informasi sekaligus, untuk dengan cepat memecahkan masalah yang memerlukan waktu bertahun-tahun bagi komputer klasik untuk memprosesnya.

Ada banyak jenis qubit, beberapa di antaranya direkayasa dan lainnya ada secara alami. Kebanyakan qubit terkenal berubah-ubah, baik tidak dapat mempertahankan superposisinya atau tidak mau berkomunikasi dengan qubit lain.

Sebagai perbandingan, qubit baru tim MIT tampaknya sangat kuat, mampu mempertahankan superposisi antara dua keadaan getaran, bahkan di tengah kebisingan lingkungan, hingga 10 detik. Tim percaya bahwa qubit bergetar baru dapat dibuat untuk berinteraksi secara singkat, dan berpotensi melakukan puluhan ribu operasi dalam sekejap mata.

“Kami memperkirakan hanya perlu satu milidetik agar qubit ini dapat berinteraksi, sehingga kami dapat mengharapkan 10.000 operasi selama waktu koherensi itu, yang dapat bersaing dengan platform lain,” kata Martin Zwierlein, Profesor Fisika Thomas A. Frank di MIT . “Jadi, ada harapan nyata untuk membuat qubit ini dihitung.”

Zwierlein adalah salah satu penulis makalah tersebut, bersama dengan penulis utama Thomas Hartke, Botond Oreg, dan Ningyuan Jia, yang semuanya adalah anggota Laboratorium Penelitian Elektronika MIT.

Fisikawan MIT menemukan bahwa pasangan atom dapat memiliki superposisi dari dua keadaan vibrasi. Seperti dua pendula yang berayun, atom-atom dapat bergerak secara sinkron, dan saling berlawanan, pada saat yang sama, menjadikannya qubit yang kuat untuk komputasi kuantum. Ilustrasi para peneliti / MIT

Selamat kecelakaan

Penemuan tim awalnya terjadi secara kebetulan. Kelompok Zwierlein mempelajari perilaku atom pada kepadatan sangat rendah dan sangat dingin. Ketika atom didinginkan hingga suhu sepersejuta ruang antarbintang, dan diisolasi pada kepadatan sepersejuta udara, fenomena kuantum dan keadaan materi baru dapat muncul.

Dalam kondisi ekstrem ini, Zwierlein dan rekan-rekannya mempelajari perilaku fermion. Fermion secara teknis didefinisikan sebagai partikel apa pun yang memiliki putaran setengah bilangan bulat ganjil, seperti neutron, proton, dan elektron. Dalam istilah praktis, ini berarti bahwa fermion pada dasarnya berduri. Tidak ada dua fermion identik yang dapat menempati keadaan kuantum yang sama — suatu sifat yang dikenal sebagai prinsip pengecualian Pauli. Misalnya, jika satu fermion berputar ke atas, yang lain harus berputar ke bawah.

Elektron adalah contoh klasik dari fermion, dan pengecualian Pauli timbal balik mereka bertanggung jawab atas struktur atom dan keragaman tabel periodik unsur, bersama dengan stabilitas semua materi di alam semesta. Fermion juga merupakan jenis atom apa pun dengan jumlah partikel elementer ganjil, karena atom-atom ini juga akan saling tolak secara alami.

Tim Zwierlein kebetulan sedang mempelajari atom fermion kalium-40. Mereka mendinginkan awan fermion hingga 100 nanokelvin dan menggunakan sistem laser untuk menghasilkan kisi optik untuk menjebak atom. Mereka menyetel kondisi sehingga setiap sumur dalam kisi menjebak sepasang fermion. Awalnya, mereka mengamati bahwa dalam kondisi tertentu, setiap pasangan fermion tampak bergerak sinkron, seperti molekul tunggal.

Untuk menyelidiki keadaan vibrasi ini lebih lanjut, mereka memberi setiap pasangan fermion tendangan, kemudian mengambil gambar fluoresensi atom dalam kisi, dan melihat bahwa seringkali, sebagian besar kotak dalam kisi menjadi gelap, mencerminkan pasangan yang terikat dalam sebuah molekul. Tetapi ketika mereka melanjutkan pencitraan sistem, atom-atom itu tampaknya muncul kembali, secara periodik, menunjukkan bahwa pasangan-pasangan itu berosilasi di antara dua keadaan vibrasi kuantum.

“Sering kali dalam fisika eksperimental Anda memiliki beberapa sinyal terang, dan saat berikutnya ia pergi ke neraka, untuk tidak pernah kembali,” kata Zwierlein. “Di sini, menjadi gelap, tetapi kemudian cerah lagi, dan berulang. Osilasi itu menunjukkan ada superposisi koheren yang berkembang dari waktu ke waktu. Itu adalah momen yang membahagiakan.”

“SEBUAH rendah bersenandung”

Setelah pencitraan dan perhitungan lebih lanjut, fisikawan mengkonfirmasi bahwa pasangan fermion memegang superposisi dari dua keadaan getaran, secara bersamaan bergerak bersama, seperti dua pendula yang berayun secara sinkron, dan juga relatif terhadap, atau berlawanan satu sama lain.

“Mereka berosilasi di antara dua keadaan ini pada sekitar 144 hertz,” catat Hartke. “Itu frekuensi yang bisa Anda dengar, seperti dengungan rendah.”

Tim mampu menyetel frekuensi ini, dan mengontrol keadaan getaran pasangan fermion, dengan tiga urutan besarnya, dengan menerapkan dan memvariasikan medan magnet, melalui efek yang dikenal sebagai resonansi Feshbach.

“Ini seperti memulai dengan dua pendula yang tidak berinteraksi, dan dengan menerapkan medan magnet, kami membuat pegas di antara keduanya, dan dapat memvariasikan kekuatan pegas itu, perlahan-lahan mendorong pendula terpisah,” kata Zwierlein.

Dengan cara ini, mereka dapat secara bersamaan memanipulasi sekitar 400 pasangan fermion. Mereka mengamati bahwa sebagai sebuah kelompok, qubit mempertahankan keadaan superposisi hingga 10 detik, sebelum pasangan individu runtuh menjadi satu atau keadaan getaran lainnya.

“Kami menunjukkan bahwa kami memiliki kendali penuh atas status qubit ini,” kata Zwierlein.

Untuk membuat komputer kuantum fungsional menggunakan qubit bergetar, tim harus menemukan cara untuk juga mengontrol pasangan fermion individu — masalah yang hampir diselesaikan oleh fisikawan. Tantangan yang lebih besar adalah menemukan cara bagi qubit individu untuk berkomunikasi satu sama lain. Untuk ini, Zwierlein punya beberapa ide.

“Ini adalah sistem di mana kami tahu bahwa kami dapat membuat dua qubit berinteraksi,” katanya. “Ada cara untuk menurunkan penghalang antar pasangan, sehingga mereka bersatu, berinteraksi, lalu berpisah lagi, selama sekitar satu milidetik. Jadi, ada jalan yang jelas menuju gerbang dua-qubit, yang Anda perlukan untuk membuat komputer kuantum.”

Ditulis oleh Jennifer Chu

Sumber: Institut Teknologi Massachusetts