Komponen Utama untuk Komputer Quantum Berbasis Qutrit yang Didemonstrasikan

Implementasi komputasi kuantum eksperimental di Advanced Quantum Testbed. Kredit: Lab Berkeley

Tim yang dipimpin oleh Berkeley Lab, ilmuwan UC Berkeley sedang membangun prosesor kuantum jenis baru yang mampu mengacak informasi seperti yang berteori di lubang hitam.

Sebuah tim yang dipimpin oleh fisikawan di Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) dan UC Berkeley telah berhasil mengamati cluster informasi kuantum, yang diperkirakan mendukung perilaku lubang hitam, menggunakan qutrits: unit penyimpanan kuantum. Informasi yang dapat mewakili tiga terpisah menyatakan pada saat yang sama. Upaya mereka juga membuka jalan bagi pembangunan prosesor informasi kuantum berdasarkan qutrits.

Paradoks informasi forum hitam

Studi baru, baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Revista Fisica X, memanfaatkan sirkuit kuantum yang terinspirasi oleh permintaan fisik yang panjang: Apa yang terjadi pada informasi saat memasuki a lubang hitam?

Di luar hubungan dengan kosmologi dan fisika fundamental, langkah-langkah teknis tim yang memungkinkan eksperimen mewakili kemajuan penting ke arah penggunaan prosesor kuantum yang lebih kompleks untuk komputasi kuantum, kriptografi, dan deteksi kesalahan, di antara aplikasi lainnya.

Sementara lubang hitam dianggap sebagai salah satu kekuatan paling merusak di alam semesta – materi dan cahaya tidak bisa lepas dari ketertarikannya, dan teracak dengan cepat dan akurat begitu mereka masuk – ada banyak perdebatan tentang apakah dan bagaimana informasi hilang setelah itu. lolos ke lubang hitam.

Mendiang fisikawan Stephen Hawking menunjukkan bahwa lubang hitam memancarkan radiasi – sekarang disebut radiasi Hawking – saat mereka menguap perlahan seiring waktu. Pada prinsipnya radiasi ini dapat membawa informasi tentang apa yang ada di forum hitam – bahkan memungkinkan rekonstruksi informasi yang melewati forum hitam.

Dan dengan menggunakan properti kuantum yang dikenal sebagai belitan, dimungkinkan untuk melakukan rekonstruksi ini secara signifikan lebih cepat, seperti yang telah didemonstrasikan dalam karya sebelumnya.

Keterikatan kuantum menantang aturan fisika klasik, memungkinkan partikel tetap berkorelasi bahkan ketika dipisahkan oleh jarak yang sangat jauh sehingga status partikel memberi tahu Anda tentang status pendamping impasto. Jika Anda memiliki dua koin rumit, misalnya, mengetahui bahwa satu koin muncul di kepala Anda ketika Anda melihatnya, secara otomatis akan memberi tahu Anda bahwa koin rumit lainnya memiliki ekor, misalnya.

Sebagian besar upaya dalam komputasi kuantum berusaha untuk mengeksploitasi fenomena ini dengan mengkodekan informasi sebagai bit kuantum yang rumit, yang dikenal sebagai qubit (diucapkan CUE-bits). Seperti bit komputer tradisional, yang dapat menyimpan nilai nol atau satu, qubit juga bisa nol atau satu. Namun sebagai tambahan, qubit dapat berada di hamparan yang bernilai satu dan nol pada satu waktu. Dalam kasus koin, itu seperti koin yang dapat mewakili kepala atau ekor, dan juga superposisi kepala dan ekor pada saat yang bersamaan.

Kekuatan 3: Pengenalan qutrits

Setiap qubit yang Anda tambahkan ke komputer kuantum menggandakan daya komputasi, dan peningkatan eksponensial itu dinaikkan saat menggunakan bit kuantum yang mampu menyimpan lebih banyak nilai, seperti qutrits (diucapkan CUE-trits). Karena itu, dibutuhkan lebih sedikit qubit dan bahkan lebih sedikit qutrits atau qudit – yang menggambarkan unit kuantum dengan tiga status atau lebih – untuk menjalankan algoritme kompleks yang mampu mendemonstrasikan kemampuan untuk memecahkan masalah yang tidak dapat diselesaikan menggunakan komputer konvensional.

Konon, ada sejumlah rintangan teknis untuk membangun komputer kuantum dengan sejumlah besar bit kuantum yang dapat beroperasi dengan andal dan efisien untuk memecahkan masalah dengan cara yang benar-benar kuantum.

Dalam studi terbaru ini, para peneliti merinci bagaimana mereka mengembangkan prosesor kuantum yang mampu mengkodekan dan mentransmisikan informasi menggunakan serangkaian lima qutrits, yang masing-masing dapat secara bersamaan mewakili tiga keadaan. Dan meskipun lingkungan biasanya berisik, tidak sempurna dan rentan terhadap kesalahan keliling kuantum, mereka menemukan bahwa platform mereka ternyata sangat tangguh dan kuat.

Qutrits dapat memiliki nilai nol, satu atau dua, menjaga semua status ini tumpang tindih. Dalam analogi koin, itu seperti koin yang memiliki kemampuan untuk naik sebagai ujian, untuk membuat kode, atau mendarat di ujungnya yang tipis.

“Lubang hitam adalah pembuat kode informasi yang sangat bagus,” kata Norman Yao, anggota fakultas di Divisi Ilmu Material di Laboratorium Berkeley dan asisten profesor fisika di UC Berkeley yang membantu memimpin perencanaan dan konsepsi percobaan. “Ini akan segera dihancurkan, sehingga rumor lokal akan mengalami kesulitan untuk menghancurkan informasi ini.”

Namun, dia menambahkan, “Pembuat enkode sangat indah sehingga sangat sulit untuk memecahkan kode informasi ini.”

Eksperimen Berpikir Forum Hitam

Sebuah ilustrasi dari eksperimen pemikiran di mana informasi yang di-flash ke dalam lubang hitam oleh Alice ditemukan oleh pengamat luar Bob. Kredit: Lab Berkeley

Buat eksperimen untuk meniru pengacakan kuantum

Tim berangkat untuk mereproduksi jenis informasi kuantum dengan cepat, atau pengacakan, dalam eksperimen yang menggunakan perangkat kecil yang disebut osilator harmonik nonlinier seperti qutrits. Osilator harmonik nonlinier ini pada dasarnya adalah bobot dengan dimensi kurang dari mikron pada sumber yang dapat dipandu pada banyak frekuensi berbeda saat terkena pulsa gelombang mikro.

Masalah umum yang membuat osilator ini berfungsi sebagai qutrit, bagaimanapun, adalah bahwa sifat kuantum mereka cenderung terurai dengan sangat cepat melalui mekanisme yang disebut dekoherensi, sehingga sulit untuk membedakan apakah informasi pengacakan benar-benar kuantum atau bukan. Karena dekoherensi ini atau lainnya. gangguan, kata Irfan Siddiqi, penulis utama studi tersebut.

Siddiqi adalah direktur Advanced Quantum Test di Berkeley Lab, seorang ilmuwan fakultas di divisi Ilmu Komputasi Sains dan Material Lab, dan profesor fisika di UC Berkeley.

Bangku tes, yang mulai menerima proposal dari komunitas sains kuantum pada tahun 2020, adalah laboratorium penelitian kolaboratif yang menyediakan akses terbuka dan gratis bagi pengguna yang ingin menjelajahi bagaimana prosesor kuantum superkonduktor dapat digunakan untuk membuat penelitian ilmiah yang maju. Demonstrasi pengacakan adalah salah satu hasil pertama dari program pengguna yang diuji.

“Awalnya, lubang hitam yang terisolasi menunjukkan pengacakan,” kata Siddiqi, “tetapi setiap sistem eksperimental juga menunjukkan hilangnya dekoherensi. Di laboratorium, bagaimana perbedaan antara keduanya?”

Kunci dari studi ini adalah pada pelestarian koherensi, atau pola teratur, dari sinyal yang dibawa oleh osilator untuk waktu yang cukup lama untuk memastikan bahwa kebingungan kuantum dibuat melalui teleportasi qutrit. Meskipun teleportasi dapat memunculkan gambar sci-fi dari “transmisi” orang atau objek dari permukaan planet ke pesawat ruang angkasa, dalam hal ini hanya ada transmisi informasi – bukan materi – dari satu tempat ke tempat berikutnya. Yang lain melalui keterikatan kuantum.

Bagian penting lainnya adalah pembuatan gerbang logika khusus yang memungkinkan realisasi “sirkuit kuantum universal”, yang dapat digunakan untuk menjalankan algoritme sewenang-wenang. Gerbang logika ini memungkinkan pasangan qutrits untuk berinteraksi satu sama lain dan telah dirancang untuk menangani tiga level sinyal berbeda yang dihasilkan oleh pulsa gelombang mikro.

Salah satu dari lima qutrit dalam percobaan berfungsi sebagai input, dan empat qutr lainnya berpasangan rumit. Karena sifat menarik dari qutrit, pengukuran umum dari salah satu pasang qutrits setelah rangkaian pengacakan memastikan bahwa status qutr yang dimasukkan dipindahkan ke qutr lain.

Lubang hitam dan lubang cacing bercermin

Para peneliti menggunakan teknik yang dikenal sebagai quantum processing tomography untuk memverifikasi bahwa gerbang logika berfungsi dan informasinya diacak dengan benar, sehingga kemungkinan besar muncul di bagian mana pun dari rangkaian kuantum.

Siddiqi mengatakan salah satu cara untuk memikirkan tentang bagaimana qutrits yang rumit mengirimkan informasi adalah dengan membandingkannya dengan lubang hitam. Seolah-olah ada lubang hitam dan versi cermin dari lubang hitam itu, sehingga informasi yang melewati satu sisi forum hitam yang dicerminkan ditransmisikan ke sisi lain melalui keterjeratan.

Ke depan, Siddiqi dan Yao secara khusus tertarik untuk memanfaatkan kekuatan qutrits untuk studi yang berkaitan dengan lubang cacing yang dapat dilalui, yang merupakan bagian teoritis yang menghubungkan tempat-tempat terpisah di alam semesta, misalnya.

Referensi: “Pengacakan Informasi Kuantum pada Prosesor Qutrit Superkonduktor” oleh MS Blok, VV Ramasesh, T. Schuster, K. O’Brien, JM Kreikebaum, D. Dahlen, A. Morvan, B. Yoshida, NY Yao dan I. Siddiqi , 9 April 2201, Revista Fisica X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.021010

Seorang ilmuwan dari Perimeter Institute for Theoretical Physics di Kanada juga berpartisipasi dalam studi tersebut, yang mendapat dukungan dari Kantor Riset Ilmiah Lanjutan Departemen Energi dan Kantor Riset Fisik. ‘High Energy; dan dari Research Fellowship untuk Diploma dari National Foundation for Science.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Alat-alat baru dibutuhkan untuk mencegah pandemi penyakit tanaman

Mengamati penyakit tanaman dapat mengungkapkan keamanan pangan. Penyakit tanaman tidak berhenti di perbatasan negara, dan kilometer lautan juga tidak mencegah penyebarannya. Itulah mengapa pengawasan...

Ilmuwan Menjelajahi Tesla Roads Jangan Ambil – Dan Temukan Kekuatan Baru Berguna dalam Penemuan Centennial

Foto eksposur ganda Nikola Tesla pada bulan Desember 1899 duduk di laboratoriumnya di Colorado Springs di sebelah kaca pembesar generator tegangan tinggi sementara mesin...

Untuk Mempercepat Akses, Mikroskopi yang Sangat Dapat Diputar Meninggalkan “Di Bawah Kisi”

Contoh desain ubin yang digunakan pada ulat percobaan C. elegans. Mesin non-grid memberi model fleksibilitas sementara untuk dengan cepat memasuki lingkungan yang menyenangkan....

Lingkar Kuno Munculnya Tektonik Lempeng Data 3,6 Miliar Tahun Lalu – Peristiwa Penting untuk Memperkaya Kehidupan Bumi

Zirkonia yang dipelajari oleh tim peneliti, difoto menggunakan katodoluminesensi, memungkinkan tim untuk melihat bagian dalam kristal menggunakan mikroskop elektron khusus. Lingkar zirkon adalah...

Bisakah kita mengurangi kecanduan opioid? [Video]

Pada 2017, jutaan orang di seluruh dunia kecanduan opioid dan 115.000 meninggal karena overdosis. Opioid adalah obat penghilang rasa sakit paling manjur yang kita miliki,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.