Perilaku mengejutkan dapat melindungi informasi yang disimpan dalam bit kuantum – Sains Terkini


Fisikawan yang mempelajari perilaku aneh paduan logam yang disebut fermion berat telah membuat penemuan mengejutkan yang dapat berguna dalam menjaga informasi yang disimpan dalam bit kuantum, atau qubit, unit dasar informasi yang dikodekan dalam komputer kuantum.

Dalam sebuah studi di Prosiding Akademi Sains Nasional, para peneliti dari Rice University dan Vienna University of Technology (TU Wien) di Austria meneliti perilaku kristal intermetalik cerium, palladium dan silikon karena terkena dingin yang ekstrem dan medan magnet yang kuat. Yang mengejutkan mereka, mereka menemukan bahwa mereka dapat mengubah perilaku kuantum material dalam dua cara yang unik, satu di mana elektron bersaing untuk menduduki orbital dan lainnya di mana mereka bersaing untuk menempati keadaan spin.

"Efeknya begitu diucapkan dengan satu derajat kebebasan yang akhirnya membebaskan yang lain," kata Rice Qimiao Si, co-koresponden penulis penelitian dan direktur Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Anda pada dasarnya dapat mengatur sistem untuk memaksimalkan kerusakan pada salah satu dari ini, meninggalkan yang lain terdefinisi dengan baik."

Si mengatakan hasilnya bisa penting bagi perusahaan seperti Google, IBM, Intel dan lainnya yang bersaing untuk mengembangkan komputer kuantum. Tidak seperti komputer digital saat ini, yang menggunakan listrik atau cahaya untuk menyandikan bit informasi, komputer kuantum menggunakan keadaan kuantum partikel subatom seperti elektron untuk menyimpan informasi dalam qubit. Komputer kuantum praktis dapat mengungguli rekan digitalnya dalam banyak hal, tetapi teknologinya masih dalam masa pertumbuhan, dan salah satu kendala utama adalah kerapuhan keadaan kuantum di dalam qubit.

"Anda memerlukan keadaan kuantum yang terdefinisi dengan baik jika Anda ingin diyakinkan bahwa informasi yang disimpan dalam qubit tidak akan berubah karena gangguan latar belakang," kata Si.

Setiap elektron bertindak seperti magnet yang berputar, dan putarannya dijelaskan dalam salah satu dari dua nilai, naik atau turun. Dalam banyak desain qubit, informasi dikodekan dalam putaran ini, tetapi keadaan ini bisa sangat rapuh sehingga bahkan sejumlah kecil cahaya, panas, getaran atau suara dapat menyebabkan mereka beralih dari satu kondisi ke kondisi lainnya. Meminimalkan informasi yang hilang dari "dekoherensi" seperti itu adalah masalah utama dalam desain qubit, kata Si.

Dalam studi baru, Si bekerja dengan kolaborator lama Silke Paschen dari TU Wien untuk mempelajari materi di mana keadaan kuantum elektron diacak bukan hanya dalam hal putaran mereka tetapi juga dalam hal orbital mereka.

"Kami merancang sebuah sistem, direalisasikan dalam beberapa model teoretis dan secara bersamaan direalisasikan dalam suatu material, di mana putaran dan orbital hampir pada pijakan yang sama dan sangat disatukan," katanya.

Dari penelitian sebelumnya pada tahun 2012, Si, Paschen dan rekannya mengetahui bahwa elektron dalam senyawa dapat dibuat untuk berinteraksi sangat kuat sehingga materi akan mengalami perubahan dramatis pada suhu yang sangat dingin. Di kedua sisi "titik kritis kuantum" ini, elektron dalam orbital-orbital kunci akan mengatur diri mereka dengan cara yang sangat berbeda, dengan pergeseran yang terjadi semata-mata karena interaksi kuantum di antara mereka.

Studi sebelumnya memunculkan teori terkenal Si dan kolaborator yang dikembangkan pada tahun 2001 yang menetapkan bagaimana putaran elektron terlokalisasi ini, yang merupakan bagian dari atom di dalam paduan, sangat berpasangan dengan elektron konduksi yang mengalir bebas pada titik kritis kuantum. Menurut teori "kritis kuantum lokal" ini, ketika bahan didinginkan dan mendekati titik kritis, putaran elektron yang terlokalisasi dan elektron konduksi mulai bersaing untuk menempati keadaan spin tertentu. Titik kritis kuantum adalah titik kritis di mana kompetisi ini menghancurkan susunan elektron terlokalisasi dan sebaliknya mereka menjadi benar-benar terjerat dengan elektron konduksi.

Meskipun Si telah mempelajari kekritisan kuantum selama hampir 20 tahun, dia terkejut dengan hasil eksperimen terbaru Paschen.

"Data baru itu benar-benar membingungkan bagi kita semua," katanya. "Yaitu, sampai kita menyadari bahwa sistem itu mengandung tidak hanya putaran tetapi juga orbital sebagai derajat kebebasan aktif."

Dengan realisasi itu, tim Si, termasuk mahasiswa pascasarjana Beras Ang Cai, membangun model teoritis yang berisi putaran dan orbital. Analisis terperinci mereka terhadap model mengungkapkan bentuk mengejutkan kritikalitas kuantum yang memberikan pemahaman yang jelas tentang eksperimen.

"Itu mengejutkan saya, baik dari perspektif model teoretis dan eksperimen," katanya. "Meskipun ini adalah sup hal – berputar, orbital yang semuanya sangat berpasangan satu sama lain dan dengan latar belakang elektron konduksi – kita dapat menyelesaikan dua titik kritis kuantum dalam sistem yang satu ini di bawah pencarian satu parameter, yang merupakan medan magnet. Dan pada masing-masing titik kritis kuantum, hanya putaran atau orbital yang mendorong kekritisan kuantum. Yang lainnya kurang lebih adalah pengamat. "

Si adalah Profesor Harry C. dan Olga K. Wiess di Departemen Fisika dan Astronomi Rice.

Penulis utama studi ini adalah Cai dan Valentina Martelli, sebelumnya dari TU Wien dan sekarang dengan Universitas São Paulo di Brasil. Rekan penulis tambahan termasuk Chia-Chuan Liu dan Hsin-Hua Lai, keduanya dari Rice; Emilian Nica, sebelumnya Rice dan saat ini di University of British Columbia; Rong Yu, sebelumnya Rice dan saat ini di Renmin University of China; Mathieu Taupin, Andrey Prokofiev, Diana Geiger, Jonathan Haenel dan Julio Larrea, semua TU Wien; Kevin Ingersent dari University of Florida; Robert Küchler dari Institut Max Planck untuk Fisika Kimia Padatan di Dresden, Jerman; dan Andre Strydom dari University of Johannesburg di Afrika Selatan.

Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation (DMR-1920740, CNS-1338099, PHY-1607611, DMR-1508122), Yayasan Robert A. Welch (C-1411), Kantor Penelitian Angkatan Darat (ARO-W911NF-14- 1-0525, ARO-W911NF-14-1-0496), Dana Ilmu Pengetahuan Austria (P29296-N27, DK W1243), Dewan Penelitian Eropa (Hibah Lanjutan 227378), Yayasan Carlos Chagas Filho untuk Dukungan Penelitian dari Negara Bagian. Rio de Janeiro (201.755 / 2015), Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional China (11674392), Kementerian Sains dan Teknologi Cina (2016YFA0300504), Yayasan Riset Nasional Afrika Selatan (93549), Universitas Johannesburg dan RCQM.

RCQM memanfaatkan kemitraan global dan kekuatan lebih dari 20 kelompok penelitian Padi untuk menjawab pertanyaan terkait bahan kuantum. RCQM didukung oleh kantor-kantor Rice dari rektor dan wakil rektor untuk penelitian, Wiess School of Natural Sciences, Brown School of Engineering, Smalley-Curl Institute dan departemen Fisika dan Astronomi, Teknik Listrik dan Komputer, dan Ilmu Material dan NanoEngineering.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.