Para peneliti di Lawrence Berkeley Nationwide Laboratory telah mengembangkan metode menggunakan laser femtosecond dan doping hidrogen untuk membuat dan mengendalikan qubit dalam silikon, yang berpotensi merevolusi komputasi kuantum dengan memungkinkan penempatan qubit yang tepat dan konektivitas untuk jaringan kuantum yang dapat diskalakan dan web kuantum. Kredit: SciTechDaily.com
Teknik baru Berkeley Lab menggunakan laser femtosecond dan hidrogen untuk secara tepat menciptakan qubit dalam silikon, sehingga memajukan prospek teknologi yang terukur komputasi kuantum dan jaringan.
- Peneliti Berkeley Lab telah melaporkan kemajuan besar yang dapat membawa kita lebih dekat ke komputer kuantum yang dapat diskalakan.
- Dengan menggunakan laser femtosecond selama percobaan mengeksplorasi peran hidrogen dalam pembentukan qubit, para peneliti mengembangkan metode yang memprogram pembentukan qubit optik pita telekomunikasi dalam silikon untuk manufaktur skala besar.
- Teknik ini dapat memungkinkan komputer kuantum masa depan yang dapat diskalakan dengan membangun infrastruktur komputasi berbasis silikon saat ini.
Kaushalya Jhuria di laboratorium menguji elektronik yang merupakan bagian dari pengaturan eksperimental yang digunakan untuk membuat qubit dalam silikon. Kredit: Thor Swift/Berkeley Lab
Potensi dan Tantangan Komputasi Kuantum
Komputer kuantum mempunyai potensi memecahkan masalah kompleks dalam kesehatan manusia, penemuan obat, dan kecerdasan buatan jutaan kali lebih cepat dibandingkan beberapa superkomputer tercepat di dunia. Jaringan komputer kuantum dapat mempercepat penemuan ini. Namun sebelum hal itu terjadi, industri komputer memerlukan cara yang andal untuk merangkai miliaran qubit – atau bit kuantum – dengan presisi atom.
Namun, menghubungkan qubit merupakan tantangan bagi komunitas riset. Beberapa metode membentuk qubit dengan menempatkan seluruh wafer silikon dalam oven anil cepat pada suhu yang sangat tinggi. Dengan metode ini, qubit terbentuk secara acak dari cacat (juga dikenal sebagai pusat warna atau pemancar kuantum) pada kisi kristal silikon. Dan tanpa mengetahui secara pasti di mana letak qubit dalam suatu materials, komputer kuantum qubit yang terhubung akan sulit diwujudkan.
Terobosan dalam Penciptaan dan Kontrol Qubit
Namun sekarang, menghubungkan qubit akan segera dapat dilakukan. Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Lawrence Berkeley Nationwide Laboratory (Berkeley Lab) mengatakan bahwa mereka adalah orang pertama yang menggunakan laser femtosecond untuk membuat dan “memusnahkan” qubit sesuai permintaan, dan dengan presisi, dengan mendoping silikon dengan hidrogen.
Kemajuan ini dapat memungkinkan komputer kuantum yang menggunakan qubit optik yang dapat diprogram atau “spin-foton qubit” untuk menghubungkan node kuantum melalui jaringan jarak jauh. Hal ini juga dapat memajukan web kuantum yang tidak hanya lebih aman tetapi juga dapat mengirimkan lebih banyak knowledge dibandingkan teknologi informasi serat optik saat ini.
“Hal ini dapat membuka jalur baru yang potensial bagi industri untuk mengatasi tantangan dalam fabrikasi qubit dan pengendalian kualitas.”
– Thomas Schenkel, ilmuwan senior, Divisi Teknologi Akselerator & Fisika Terapan
Visi untuk Arsitektur Kuantum yang Skalabel
“Untuk membuat arsitektur atau jaringan kuantum yang skalabel, kita memerlukan qubit yang dapat terbentuk secara andal sesuai permintaan, di lokasi yang diinginkan, sehingga kita mengetahui di mana letak qubit dalam suatu materials. Dan itulah mengapa pendekatan kami sangat penting,” kata Kaushalya Jhuria, seorang sarjana pascadoktoral di Divisi Akselerator Teknologi & Fisika Terapan (ATAP) Berkeley Lab. Dia adalah penulis pertama studi baru yang menjelaskan teknik ini di jurnal Komunikasi Alam. “Karena begitu kita mengetahui di mana letak qubit tertentu, kita dapat menentukan cara menghubungkan qubit ini dengan komponen lain dalam sistem dan membuat jaringan kuantum.”
“Hal ini dapat membuka jalur baru yang potensial bagi industri untuk mengatasi tantangan dalam fabrikasi qubit dan pengendalian kualitas,” kata peneliti utama Thomas Schenkel, kepala Program Sains Fusion & Teknologi Sinar Ion di Divisi ATAP Lab Berkeley. Kelompoknya akan menjadi tuan rumah bagi mahasiswa gelombang pertama dari Universitas Hawaii pada bulan Juni sebagai bagian dari proyek RENEW yang didanai DOE Fusion Vitality Sciences mengenai pengembangan tenaga kerja di mana mahasiswa akan dibenamkan dalam sains dan teknologi pusat warna/qubit.
Membentuk Qubit dalam Silikon Dengan Kontrol yang Dapat Diprogram
Metode baru ini menggunakan lingkungan gasoline untuk membentuk cacat yang dapat diprogram yang disebut “pusat warna” dalam silikon. Pusat warna ini adalah kandidat untuk qubit telekomunikasi khusus atau “spin photon qubit.” Metode ini juga menggunakan laser femtodetik ultracepat untuk menganil silikon dengan presisi tepat di mana qubit tersebut seharusnya terbentuk. Laser femtosecond mengirimkan gelombang energi yang sangat singkat dalam kuadriliun detik ke goal terfokus seukuran setitik debu.
Putaran qubit foton memancarkan foton yang dapat membawa informasi yang dikodekan dalam putaran elektron melintasi jarak jauh – sifat very best untuk mendukung jaringan kuantum yang aman. Qubit adalah komponen terkecil dari sistem informasi kuantum yang mengkodekan knowledge dalam tiga keadaan berbeda: 1, 0, atau superposisi yaitu segala sesuatu antara 1 dan 0.
Dengan bantuan Boubacar Kanté, seorang ilmuwan fakultas di Divisi Ilmu Materials Lab Berkeley dan profesor teknik elektro dan ilmu komputer (EECS) di UC Berkeley, tim menggunakan detektor inframerah-dekat untuk mengkarakterisasi pusat warna yang dihasilkan dengan menyelidiki optiknya (photoluminescence). ) sinyal.
Apa yang mereka temukan mengejutkan mereka: sebuah pemancar kuantum yang disebut pusat Ci. Karena strukturnya yang sederhana, stabilitas pada suhu kamar, dan sifat putaran yang menjanjikan, pusat Ci merupakan kandidat qubit foton putaran menarik yang memancarkan foton dalam pita telekomunikasi. “Kami mengetahui dari literatur bahwa Ci dapat dibentuk dalam silikon, namun kami tidak berharap untuk benar-benar menjadikan kandidat qubit foton spin baru ini dengan pendekatan kami,” kata Jhuria.
Penggambaran artistik dari metode baru untuk membuat pusat warna (qubit) berkualitas tinggi dalam silikon di lokasi tertentu menggunakan pulsa laser ultracepat (femtosecond, atau sepersejuta triliun detik). Sisipan di kanan atas menunjukkan sinyal optik yang diamati secara eksperimental (fotoluminesensi) dari qubit, dengan strukturnya ditampilkan di bawah. Kredit: Kaushalya Jhuria/Berkeley Lab
Potensi dan Arah Masa Depan
Para peneliti mengetahui bahwa pemrosesan silikon dengan intensitas laser femtodetik rendah dengan adanya hidrogen membantu menciptakan pusat warna Ci. Eksperimen lebih lanjut menunjukkan bahwa peningkatan intensitas laser dapat meningkatkan mobilitas hidrogen, yang mempasifkan pusat warna yang tidak diinginkan tanpa merusak kisi silikon, jelas Schenkel.
Analisis teoretis yang dilakukan oleh Liang Tan, staf ilmuwan di Molecular Foundry di Berkeley Lab, menunjukkan bahwa kecerahan pusat warna Ci ditingkatkan beberapa kali lipat dengan adanya hidrogen, membenarkan pengamatan mereka dari eksperimen laboratorium.
“Pulsa laser femtosecond dapat mengeluarkan atom hidrogen atau mengembalikannya, memungkinkan pembentukan qubit optik yang diinginkan dapat diprogram di lokasi yang tepat,” kata Jhuria.
Tim berencana menggunakan teknik ini untuk mengintegrasikan qubit optik dalam perangkat kuantum seperti rongga reflektif dan pandu gelombang, dan untuk menemukan kandidat qubit foton spin baru dengan properti yang dioptimalkan untuk aplikasi tertentu.
“Sekarang kami dapat membuat pusat warna dengan andal, kami ingin mendapatkan qubit berbeda untuk berkomunikasi satu sama lain – yang merupakan perwujudan dari keterikatan kuantum – dan melihat mana yang memiliki kinerja terbaik. Ini baru permulaan,” kata Jhuria.
“Kemampuan untuk membentuk qubit di lokasi yang dapat diprogram dalam bahan seperti silikon yang tersedia dalam skala besar merupakan langkah menarik menuju jaringan dan komputasi kuantum praktis,” kata Cameron Geddes, Direktur Divisi ATAP.
Referensi: “Pembentukan emitor kuantum yang dapat diprogram dalam silikon” oleh Ok. Jhuria, V. Ivanov, D. Polley, Y. Zhiyenbayev, W. Liu, A. Persaud, W. Redjem, W. Qarony, P. Parajuli, Q. Ji , AJ Gonsalves, J. Bokor, LZ Tan, B. Kanté dan T. Schenkel, 27 Mei 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-48714-2
