Qubit yang Lebih Baik: Terobosan Kuantum Didukung oleh Silikon Karbida

Ilmuwan Menjinakkan Bit Kuantum dalam Bahan Semikonduktor yang Banyak Digunakan

Komputer kuantum, yang memanfaatkan sifat unik qubit, mengungguli sistem klasik dengan hadir secara bersamaan di banyak negara. Penelitian terfokus pada silikon karbida bertujuan untuk mengoptimalkan qubit untuk aplikasi yang dapat diskalakan, dengan penelitian mengungkapkan metode baru untuk mengontrol dan meningkatkan kinerjanya. Hal ini bisa mengarah pada terobosan-terobosan skala besar komputasi kuantum dan teknologi sensor.

Yayasan Komputasi Kuantum

Jika komputer konvensional menggunakan bit klasik untuk penghitungan, komputer kuantum menggunakan bit kuantum, atau qubit. Meskipun bit klasik dapat memiliki nilai 0 atau 1, qubit dapat berada dalam campuran probabilitas kedua nilai secara bersamaan. Hal ini membuat komputasi kuantum menjadi sangat ampuh untuk mengatasi permasalahan yang tidak dapat diselesaikan dengan baik oleh komputer konvensional. Untuk membangun komputer kuantum berskala besar, para peneliti perlu memahami cara membuat dan mengendalikan materials yang sesuai untuk manufaktur skala industri.

Semikonduktor adalah materials qubit yang sangat menjanjikan. Semikonduktor sudah membentuk chip komputer di telepon seluler, komputer, peralatan medis, dan aplikasi lainnya. Jenis cacat skala atom tertentu, yang disebut kekosongan, pada semikonduktor silikon karbida (SiC) menjanjikan sebagai qubit. Namun, para ilmuwan memiliki pemahaman yang terbatas tentang cara menghasilkan dan mengendalikan cacat ini. Dengan menggunakan kombinasi simulasi tingkat atom, para peneliti dapat melacak bagaimana kekosongan ini terbentuk dan berperilaku.

Kemajuan dalam Materials Kuantum

Komputasi kuantum dapat merevolusi kemampuan kita dalam menjawab pertanyaan-pertanyaan menantang. Komputer kuantum skala kecil yang ada telah memberikan gambaran sekilas tentang kekuatan teknologi ini. Untuk membangun dan menerapkan komputer kuantum skala besar, para peneliti perlu mengetahui cara mengendalikan qubit yang terbuat dari bahan yang masuk akal secara teknis dan ekonomis bagi industri.

Penelitian ini mengidentifikasi stabilitas dan jalur molekuler untuk menciptakan kekosongan yang diinginkan bagi qubit dan menentukan sifat elektroniknya.

Kemajuan ini akan membantu desain dan fabrikasi qubit berbasis spin dengan presisi atom pada bahan semikonduktor, yang pada akhirnya mempercepat pengembangan komputer kuantum dan sensor kuantum skala besar generasi berikutnya.

Tantangan dalam Perkembangan Komputasi Kuantum

Revolusi teknologi berikutnya dalam ilmu informasi kuantum mengharuskan para peneliti untuk menggunakan komputer kuantum berskala besar yang idealnya dapat beroperasi pada suhu kamar. Realisasi dan pengendalian qubit pada materials yang relevan dengan industri adalah kunci untuk mencapai tujuan ini.

Dalam karya yang dilaporkan di sini, para peneliti mempelajari qubit yang dibangun dari kekosongan silikon karbida (SiC) menggunakan berbagai metode teoretis. Hingga saat ini, para peneliti hanya mengetahui sedikit tentang bagaimana mengendalikan dan merekayasa proses pembentukan selektif untuk lowongan tersebut. Energi penghalang yang terlibat dalam migrasi lowongan dan kombinasinya menimbulkan tantangan tersulit bagi teori dan simulasi.

Terobosan dalam Penelitian Komputasi Kuantum

Dalam studi ini, kombinasi simulasi materials canggih dan teknik pengambilan sampel berbasis jaringan saraf mengarahkan para peneliti di Pusat Bahan Komputasi Midwest (MICCoM) Departemen Energi (DOE) untuk menemukan mekanisme pembangkitan atomistik qubit. dari cacat putaran pada semikonduktor pita lebar.

Tim menunjukkan mekanisme pembangkitan qubit di SiC, semikonduktor menjanjikan dengan waktu koherensi qubit yang panjang serta inisialisasi putaran optik dan kemampuan membaca.

MICCoM adalah salah satu pusat Ilmu Materials Komputasi DOE di seluruh negeri yang mengembangkan perangkat lunak sumber terbuka dan canggih untuk membantu komunitas ilmiah memodelkan, mensimulasikan, dan memprediksi sifat dasar dan perilaku materials fungsional. Para peneliti yang terlibat dalam penelitian ini berasal dari Argonne Nationwide Laboratory dan Universitas Chicago.

Referensi: “Stabilitas dan jalur molekuler terhadap pembentukan cacat putaran pada silikon karbida” oleh Elizabeth MY Lee, Alvin Yu, Juan J. de Pablo dan Giulia Galli, 3 November 2021, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-021-26419-0

Pekerjaan ini didukung oleh Kantor Sains Departemen Energi (DOE), Kantor Ilmu Energi Dasar, Divisi Ilmu dan Teknik Materials dan merupakan bagian dari Program Ilmu Materials Komputasi Ilmu Energi Dasar dalam Fisika Benda Terkondensasi Teoretis. Simulasi yang menuntut komputasi menggunakan beberapa sumber daya komputasi berkinerja tinggi: Bebop di Pusat Sumber Daya Komputasi Laboratorium Laboratorium Nasional Argonne; Fasilitas Komputasi Kepemimpinan Argonne (ALCF), fasilitas pengguna DOE Workplace of Science; dan Pusat Komputasi Penelitian Universitas Chicago. Tim ini diberikan akses ke sumber daya komputasi ALCF melalui program Dampak Komputasi Inovatif dan Novel pada Teori dan Eksperimen (INCITE) DOE. Dukungan tambahan diberikan oleh NIH.