Titik Kuantum Melompat Jauh: Spin Qubit Meluncur dengan Germanium

Para peneliti di QuTech mengembangkan qubit spin salto untuk logika kuantum common. Pencapaian ini dapat memungkinkan kontrol yang efisien terhadap susunan qubit semikonduktor besar.

Lebih dari dua puluh tahun setelah proposal Loss dan DiVincenzo untuk komputasi kuantum dengan titik-titik kuantum, para peneliti QuTech telah mewujudkan konsep-konsep ini menggunakan germanium untuk memfasilitasi kontrol spin. Pendekatan ini menyederhanakan elektronik yang dibutuhkan untuk komputasi kuantummenunjukkan kontrol efektif atas susunan titik kuantum yang diperluas.

Qubit Titik Kuantum

Pada tahun 1998, Loss dan DiVincenzo menerbitkan karya penting 'quantum computation with quantum dots'. Dalam karya asli mereka, lompatan spin diusulkan sebagai dasar untuk logika qubit, tetapi implementasi eksperimentalnya masih kurang. Setelah lebih dari 20 tahun, eksperimen telah mengejar teori. Para peneliti di QuTech —kolaborasi antara TU Delft dan TNO— telah menunjukkan bahwa 'hopping gates' asli memang memungkinkan, dengan kinerja yang canggih.

Rekan penulis Ground van Riggelen (depan) dan Sander de Snoo. Kredit: Marc Blommaert untuk QuTech

Kemajuan dalam Kontrol Qubit

Qubit yang berbasis pada titik kuantum dipelajari di seluruh dunia karena dianggap sebagai platform yang menarik untuk membangun komputer kuantum. Pendekatan yang paling populer adalah dengan menjebak satu elektron dan menerapkan medan magnet yang cukup besar, yang memungkinkan spin elektron digunakan sebagai qubit dan dikendalikan oleh sinyal gelombang mikro.

Namun, dalam karya ini, para peneliti menunjukkan bahwa tidak diperlukan sinyal gelombang mikro. Sebaliknya, sinyal pita dasar dan medan magnet kecil sudah cukup untuk mencapai kontrol qubit common. Hal ini bermanfaat karena dapat menyederhanakan elektronik kontrol yang diperlukan untuk mengoperasikan prosesor kuantum masa depan secara signifikan.

Dari Melompat ke Qubit yang Berputar-putar

Pengendalian putaran memerlukan lompatan dari satu titik ke titik lain dan mekanisme fisik yang mampu memutarnya. Awalnya, usulan Loss dan DiVincenzo menggunakan jenis magnet tertentu, yang terbukti sulit diwujudkan secara eksperimental. Sebaliknya, kelompok di QuTech memelopori germanium. Semikonduktor ini dengan mudah dapat memungkinkan rotasi putaran. Hal ini dimotivasi oleh karya yang dipublikasikan di Komunikasi Alamdi mana Ground van Riggelen-Doelman dan Corentin Déprez dari kelompok yang sama menunjukkan bahwa germanium dapat berfungsi sebagai platform untuk lompatan qubit spin sebagai dasar untuk membuat tautan kuantum. Mereka mengamati indikasi pertama rotasi spin.

Ketika mempertimbangkan perbedaan antara qubit yang melompat dan berguling, anggaplah susunan titik kuantum sebagai taman trampolin, di mana putaran elektron seperti orang yang melompat. Biasanya, setiap orang memiliki trampolin khusus, tetapi mereka dapat melompat ke trampolin tetangga jika tersedia. Germanium memiliki sifat unik: hanya dengan melompat dari satu trampolin ke trampolin berikutnya, seseorang mengalami torsi yang membuat mereka berguling. Sifat ini memungkinkan peneliti untuk mengendalikan qubit secara efektif.

Rekan penulis Sasha Ivlev, Hanifa Tidjani, dan Chien-An Wang (dari kiri ke kanan) sedang memeriksa unit pemrosesan kuantum yang terpasang. Kredit: Marc Blommaert untuk QuTech

Chien-An Wang, penulis pertama dari Sains makalah tersebut, menjelaskan: “Germanium memiliki keuntungan menyelaraskan putaran di sepanjang arah yang berbeda dalam titik-titik kuantum yang berbeda.” Ternyata qubit yang sangat bagus dapat dibuat dengan melompati putaran di antara titik-titik kuantum tersebut. “Kami mengukur tingkat kesalahan kurang dari seribu untuk gerbang satu-qubit dan kurang dari seratus untuk gerbang dua-qubit.”

Qubit yang Salto di Taman Trampolin

Setelah menetapkan kendali atas dua putaran dalam sistem empat titik kuantum, tim tersebut melangkah lebih jauh. Alih-alih melompati putaran di antara dua titik kuantum, tim tersebut juga menyelidiki lompatan melalui beberapa titik kuantum. Secara analogis, ini akan sesuai dengan seseorang yang melompat dan jungkir balik di atas banyak trampolin. Rekan penulis Valentin John menjelaskan: “Untuk komputasi kuantum, penting untuk mengoperasikan dan menggabungkan sejumlah besar qubit dengan presisi tinggi.”

Trampolin yang berbeda membuat orang mengalami torsi yang berbeda saat melompat, dan dengan cara yang sama, putaran yang melompat di antara titik-titik kuantum juga menghasilkan rotasi yang unik. Oleh karena itu, penting untuk mengkarakterisasi dan memahami variabilitasnya. Rekan penulis Francesco Borsoi menambahkan: “Kami membuat rutinitas kontrol yang memungkinkan untuk melakukan putaran yang melompat ke titik kuantum mana pun dalam larik 10 titik kuantum, yang memungkinkan kami untuk menyelidiki metrik qubit utama dalam sistem yang diperluas.”

Upaya Tim

“Saya bangga melihat semua kerja sama tim,” kata peneliti utama Menno Veldhorst. “Dalam rentang waktu satu tahun, pengamatan rotasi qubit akibat lompatan menjadi alat yang digunakan oleh seluruh kelompok. Kami yakin sangat penting untuk mengembangkan skema kontrol yang efisien untuk pengoperasian komputer kuantum masa depan dan pendekatan baru ini menjanjikan.”

Referensi:

“Spin qubit yang koheren melintasi titik-titik kuantum germanium” oleh Ground van Riggelen-Doelman, Chien-An Wang, Sander L. de Snoo, William IL Lawrie, Nico W. Hendrickx, Maximilian Rimbach-Russ, Amir Sammak, Giordano Scappucci, Corentin Déprez dan Menno Veldhorst, 8 Juli 2024, Komunikasi Alam.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41467-024-49358-y

“Mengoperasikan prosesor kuantum semikonduktor dengan putaran melompat” oleh Chien-An Wang, Valentin John, Hanifa Tidjani, Cécile X. Yu, Alexander S. Ivlev, Corentin Déprez, Ground van Riggelen-Doelman, Benjamin D. Woods, Nico W. Hendrickx, William IL Lawrie, Lucas EA Stehouwer, Stefan D. Oosterhout, Amir Sammak, Mark Friesen, Giordano Scappucci, Sander L. de Snoo, Maximilian Rimbach-Russ, Francesco Borsoi dan Menno Veldhorst, 25 Juli 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.ado5915