Sebuah tim dari Universitas Massachusetts Amherst, bersama dengan kolaborator dari Universitas Chicago, telah berhasil memodifikasi sirkulasi gelombang mikro untuk secara tepat mengelola non-timbal balik antara bit kuantum dan rongga resonansi gelombang mikro, menandai kemajuan signifikan dalam komputasi kuantum. (Konsep artis.) Kredit: SciTechDaily.com
Para peneliti telah membuat kemajuan yang signifikan dalam hal ini komputasi kuantum dengan mengadaptasi sirkulator gelombang mikro untuk secara tepat mengontrol non-timbal balik antara qubit dan rongga resonansi. Inovasi ini tidak hanya meningkatkan kontrol dalam 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, yang memungkinkan mereka untuk pertama kalinya menyesuaikan secara tepat tingkat ketidak-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 tersebut, tim, termasuk kolaborator dari Universitas Chicagomenghasilkan 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 Ilmu Pengetahuan.
Perangkat non-resiprokal, dengan sirkulatornya (tengah), port qubit, rongga superkonduktor, dan port keluaran. Kredit: UMass Amherst
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 untuk 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 tidak hanya bernilai 0 atau 1—keduanya bisa berada pada saat yang sama dengan cara yang terdengar seperti sihir, namun didefinisikan dengan baik oleh hukum kuantum. mekanika. Sifat 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 masing-masing orang dalam percakapan tersebut berbagi informasi dalam jumlah yang sama. Non-timbal balik adalah ketika satu orang berbagi lebih sedikit dibandingkan 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. data.”
Untuk mengendalikan sifat tidak timbal balik, penulis utama Ying-Ying Wang, mahasiswa pascasarjana bidang fisika di UMass Amherst, dan rekan penulisnya menjalankan serangkaian simulasi untuk menentukan desain dan properti yang perlu dimiliki oleh sirkulasi mereka agar mereka dapat memvariasikan sifat tidak timbal baliknya. 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 membuat 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 model ini 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 sirkulator, yang seperti bundaran 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 tepat.”
“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 canggih.”
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 Ilmu Pengetahuan.
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.