Teknik untuk memanipulasi elektron dengan cahaya dapat membawa komputasi kuantum pada suhu kamar.
Sekelompok tim peneliti di Jerman dan di University of Michigan telah menunjukkan bagaimana pulsa laser inframerah dapat menggeser elektron di antara dua keadaan yang berbeda, secara klasik angka 1 dan 0 -sistem biner, dalam lembaran tipis semikonduktor.
[Sistem bilangan biner adalah sistem penulisan angka dengan menggunakan dua simbol yaitu 0 dan 1. Sebuah sistem biner dinyatakan dalam sistem komputer dengan metode saklar yang hanya mengenal keadaan hidup dan mati. Keadaan hidup (on) menyatakan nilai 1, dan keadaan mati (off) menyatakan nilai 0.]
“Peralatan elektronik pada umumnya berada di kisaran gigahertz, satu miliar operasi per detik. Metode ini jutaan kali lebih cepat,” kata Mackillo Kira, profesor teknik elektro dan ilmu komputer UM, pemimpin di bagian teoritis dari penelitian, yang akan diterbitkan dalam jurnal Nature, berkolaborasi dengan fisikawan di University of Marburg di Jerman. Percobaan dilakukan di Universitas Regensburg di Jerman.
Komputasi kuantum dapat memecahkan masalah yang memakan waktu terlalu lama pada komputer konvensional, memajukan bidang-bidang seperti kecerdasan buatan, ramalan cuaca dan desain obat. Komputer kuantum mendapatkan kekuatannya dari cara bit mekanis-kuantum mereka, atau qubit, tidak hanya 1s atau 0s, tetapi mereka bisa menjadi campuran — dikenal sebagai superposisi — dari keadaan ini.
“Dalam komputer klasik, setiap konfigurasi bit harus disimpan dan diproses satu per satu sementara satu set qubit idealnya dapat menyimpan dan memproses semua konfigurasi dengan sekali jalan,” kata Kira.
Ini berarti bahwa ketika Anda ingin mengetahui sejumlah kemungkinan solusi untuk sebuah permasalahan dan mendapatkan yang paling sesuai, komputasi kuantum dapat membawa Anda ke sana lebih cepat.
Tetapi qubit sulit dibuat karena status quantum sangat rapuh. Rute komersial utama, dikejar oleh perusahaan seperti Intel, IBM, Microsoft, dan D-Wave, menggunakan sirkuit superkonduktor — putaran kawat yang didinginkan ke suhu yang sangat dingin (-321 ° F atau kurang), di mana elektron berhenti bertabrakan satu sama lain, dan sebagai gantinya membentuk keadaan quantum bersama melalui fenomena yang dikenal sebagai koherensi.
Sebuah ilustrasi yang menunjukkan keadaan pseudospin “naik” dan “turun”, denyut cahaya dan lanskap energi perbukitan yang dialami oleh elektron. [Credit: Stefan Schlauderer, University of Regensburg]
Alih-alih menemukan cara untuk bergantung pada keadaan quantum untuk waktu yang lama, studi terbaru ini menunjukkan cara untuk melakukan pemrosesan sebelum keadaan tersebut runtuh.
“Dalam jangka panjang, kami melihat peluang yang realistis untuk memperkenalkan perangkat informasi kuantum yang melakukan operasi lebih cepat daripada satu osilasi gelombang cahaya,” kata Rupert Huber, profesor fisika di Universitas Regensburg, yang memimpin eksperimen. “Bahannya relatif mudah dibuat, bekerja pada udara suhu kamar, dan hanya beberapa tebal atom, sangat ringkas.”
Bahannya adalah lapisan tunggal tungsten dan selenium dalam bentuk kisi-kisi sarang madu. Struktur ini menghasilkan sepasang elektron yang dikenal sebagai pseudospins. Bukan elektron spin (dan bahkan kemudian, fisikawan memperingatkan bahwa elektron tidak benar-benar berputar), tetapi itu adalah semacam momentum sudut. Kedua pseudospins ini dapat mengkodekan 1 dan 0.
Tim Huber mendorong elektron menuju keadaan ini dengan pulsa cepat cahaya inframerah, yang berlangsung hanya beberapa femtosekon (seperdima detik). Pulsa awal memiliki spin sendiri, yang dikenal sebagai polarisasi melingkar , yang mengirim elektron ke dalam satu keadaan pseudospin. Kemudian, pulsa cahaya yang tidak memiliki spin (linear terpolarisasi) dapat mendorong elektron dari satu pseudospin ke yang lain-dan kembali lagi.
Dengan memperlakukan keadaan ini sebagai ‘1 dan 0’ sederhana, adalah mungkin untuk menciptakan jenis baru “gelombang cahaya” komputer dengan kecepatan satu juta lebih cepat yang disebutkan Kira. Tantangan pertama di sepanjang rute ini adalah menggunakan kereta pulsa laser untuk “membalik” pseudospins sesuka hati.
Tetapi elektron juga dapat membentuk keadaan superposisi antara dua pseudospin. Dengan serangkaian pulsa, itu harus mungkin untuk melakukan perhitungan sampai elektron jatuh dari keadaan koheren mereka. Tim menunjukkan bahwa mereka dapat membalik qubit cukup cepat untuk menjalankan serangkaian operasi — pada dasarnya, cukup cepat untuk bekerja dalam prosesor kuantum.
Selain itu, elektron secara terus-menerus mengirimkan cahaya yang membuatnya mudah untuk membaca qubit tanpa mengganggu kepekaan keadaan kuantum. Polarisasi melingkar searah jarum jam menunjukkan satu keadaan pseudospin, berlawanan dengan jarum jam yang lain.
Langkah selanjutnya menuju komputasi kuantum adalah mendapatkan dua qubit sekaligus, cukup dekat satu sama lain sehingga mereka berinteraksi. Ini bisa melibatkan tumpukan lembaran datar semikonduktor atau menggunakan teknik berstruktur nano untuk memagari qubit dalam satu lembar, misalnya.
