Skip to content

Informasi Quantum dijaga lebih lama dari yang kedua pada suhu kamar

Sebuah tim ilmuwan berhasil menyimpan bit kuantum dalam kristal berlian selama lebih dari satu detik pada suhu kamar, peningkatan hampir seribu kali lipat, dan percaya bahwa masa pakai qubit dapat ditingkatkan hingga maksimal 36 jam.

2013guccioutlet – Kartu kredit yang benar-benar penipuan-bukti dan paspor yang tidak dapat dipalsukan: fisika kuantum bisa membuat kedua kemungkinan ini. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa keadaan mekanika kuantum suatu partikel, inti atom, misalnya, tidak dapat disalin atau dibaca dengan benar tanpa informasi tambahan yang hanya diizinkan oleh pengguna kartu yang mungkin. Dengan demikian, jika kartu kredit mengandung memori kuantum, itu akan dilindungi dari penyalahgunaan. Meskipun fisikawan telah mengembangkan metode untuk menulis status kuantum ke dalam berbagai jenis memori dan membacanya lagi, masalahnya adalah apakah metode ini bekerja hanya di atas suhu nol mutlak yang mengecualikan penggunaan rutin – atau bahwa informasi kuantum yang disimpan hilang setelah hanya beberapa milidetik. Para peneliti di Harvard University di Cambridge dekat Boston, Institut Optik Quantum Max Planck di Garching, dan Caltech di Pasadena kini telah berhasil menyimpan keadaan kuantum dalam kristal berlian selama lebih dari satu detik pada suhu kamar. Para peneliti bahkan percaya bahwa waktu penyimpanan satu setengah hari adalah mungkin jika mereka meningkatkan metode agenbola mereka.

Memori kuantum menggunakan versi yang lebih kompleks dari unit informasi terkecil dalam memori komputer konvensional, bit, yaitu bit kuantum yang disebut, qubit untuk pendek. Sedangkan bit dapat mengambil hanya satu dari dua kemungkinan negara pada setiap titik waktu (di mana yang ditunjuk dengan “0” dan yang lainnya dengan “1”), qubit secara harfiah dapat mengambil kedua negara secara bersamaan. Isi informasinya terdiri dari bobot masing-masing “0” dan “1”: qubit dapat terdiri dari 20 persen “0” dan 80 persen “1”, misalnya. Setiap rasio yang merangkum hingga menghasilkan 100 persen adalah mungkin. Ini berarti banyak nilai dapat disimpan dalam satu qubit.

Fisikawan menggunakan berbagai sistem fisik untuk menyimpan qubit, misalnya atom, yang terletak di kisi laser bersilangan mirip dengan telur dalam karton telur, atau inti atom dalam tubuh yang padat. Di masa depan, memori kuantum dari beberapa qubit dapat digunakan untuk penyimpanan data pemalsuan-bukti, karena apa yang disebut teorema tanpa-kloning dari fisika kuantum melarang penyalinan keadaan kuantum. Selain itu, hanya dimungkinkan untuk membaca isinya jika ada yang tahu parameter dengan memori yang telah ditulis, seperti arah polarisasi sinyal cahaya.

Memori kuantum harus diisolasi dari lingkungan, tetapi tidak sepenuhnya

Kendala yang hampir tak dapat diatasi mencegah implementasi praktisnya. Memori kuantum harus memenuhi dua kriteria yang bertentangan: di satu sisi, ia harus diisolasi dari lingkungan sebanyak mungkin sehingga qubit yang disimpan tidak dihancurkan oleh medan magnet eksternal, partikel cahaya atau pengaruh lingkungan yang serupa. Di sisi lain, ia harus dapat bertukar informasi dengan lingkungan yang sama ini; kalau tidak, tidak mungkin menulis informasi ke dalam memori dan membacanya lagi. Dengan demikian isolasi lengkap dari qubit tidak mencapai tujuan.

Kelompok peneliti internasional dari Harvard University, Institut Max Planck Optik Kuantum dan Caltech kini telah berhasil merekonsiliasi faktor-faktor yang saling bertentangan hingga tingkat tertentu sehingga qubit dalam kristal berlian buatan dapat tetap stabil selama lebih dari satu detik, bahkan pada suhu kamar . Sebelumnya, jenis qubit ini dipertahankan hanya beberapa seperseribu detik. “Kami telah mencapai peningkatan hampir seribu kali lipat ini dengan upaya percobaan yang relatif sedikit,” kata David Hunger dari Institut Optik Kuantum Max Planck di Garching. Para ilmuwan pada dasarnya membutuhkan laser hijau, sumber switching cepat untuk gelombang mikro dan frekuensi radio, dan detektor yang sangat sensitif yang mampu mendeteksi partikel cahaya individu.

Untuk qubit, para peneliti menggunakan inti atom karbon, atau lebih tepatnya, isotop karbon C-13; intinya memiliki apa yang disebut spin nuklir, yang menghasilkan momen magnetik. Nukleus C-13 berperilaku seperti magnet batang kecil yang dapat menyelaraskan dirinya paralel atau anti-sejajar dengan medan magnet yang diaplikasikan secara eksternal. Kedua kondisi ini membentuk “0” dan “1” dari qubit.

The Qubit C-13 ditulis dan dibaca melalui pusat lowongan nitrogen

Pertukaran informasi antara qubit ini dan sekitarnya dilakukan secara tidak langsung: para peneliti menumbuhkan berlian sedemikian rupa sehingga mengandung sedikit nitrogen di samping jejak-jejak kecil isotop C-13 sehingga beberapa atom gen nitro terletak dekat Atom C-13. Selain itu, satu atom karbon hilang di sekitar atom nitrogen langsung. Oleh karena itu, ahli fisika menyebut ini pusat nitrogen-kekosongan, atau pusat N-V untuk pendek. Pusat N-V juga memiliki putaran dan dengan demikian membentuk qubit. Yang terakhir dapat dengan mudah dimasukkan ke dalam keadaan mekanika kuantum yang ditentukan dengan bantuan gelombang mikro dan laser. Selanjutnya, informasi yang dibawanya dapat dengan mudah dibaca dengan sinar laser.
Para peneliti memilih atom karbon daripada pusat N-V sebagai lokasi memori sebenarnya karena inti atomnya memiliki momen magnetik yang relatif kecil dan dengan demikian bereaksi kurang sensitif daripada pusat N-V terhadap pengaruh lingkungan. Inti C-13 karena itu berpotensi menyimpan informasi kuantum untuk waktu yang lebih lama, dan dianggap sebagai sistem ideal untuk penyimpanan informasi kuantum.

Dua pengaruh yang mengganggu pada memori kuantum harus ditekan

Namun, satu masalah adalah bahwa kopling ke pusat N-V, yang berguna untuk menulis dan membaca, secara bersamaan menyebabkan qubit di inti atom C-13 kehilangan informasinya hanya dalam beberapa seperseribu detik. Hal ini karena, setelah informasi dibaca, momen magnetik dari pusat NV, yang dibiarkan ke perangkatnya sendiri, melompat ke sana kemari tak terkendali dan dengan demikian mengganggu qubit C-13 yang berdekatan, seperti halnya magnet batang yang terus-menerus berubah menjadi dan mondar-mandir menginduksi gerakan goyang serupa di magnet tetangga yang jauh lebih lemah. Momen magnetik dari inti C-13 lebih lanjut dalam kristal berlian mempengaruhi momen magnetik dari C-13 qubit dengan cara yang sama.

Efek dari kedua gangguan ini dapat dikurangi secara signifikan, seperti yang telah dibuktikan oleh para peneliti. Mereka menekan efek pusat N-V dengan sinar laser hijau. Ini memaksa pusat N-V menjadi salah satu dari dua keadaan magnetik dan mencegah fluktuasi alami dari momen magnetik. Dalam prosesnya, laser sementara mengetuk keluar elektron dari pusat N-V, yang menangkapnya lagi tak lama sesudahnya. Oleh karena itu pusat terus-menerus terionisasi dan segera deionisasi lagi. Ini sekali lagi dikaitkan dengan momen magnetik yang melompat ke sana kemari.

Dengan meningkatkan daya laser hingga sepuluh milliwatt, para fisikawan memastikan bahwa momen magnetik mengubah orientasinya jauh lebih cepat daripada di fluktuasi aslinya. The qubit dalam inti atom C-13 karena itu tidak lagi mengalami medan magnet yang berbeda, melainkan nilai rata-rata yang konstan dalam waktu. Ini berarti fluktuasi dimatikan. Tetap dengan gambar batangan magnet: jika satu batang magnet diputar ke sana kemari jauh lebih cepat daripada magnet yang lain dapat terbalik, ia tetap pada orientasinya. Metode ini meningkatkan masa pakai qubit menjadi sekitar setengah detik.

Umur qubit secara teoritis dapat ditingkatkan menjadi 36 jam

Para ilmuwan menggunakan dua trik untuk meminimalkan efek campur dari atom C-13 lainnya. Pertama, mereka membatasi persentase dari isotop karbon C-13 dalam berlian buatan mereka hingga seperseratus persen, sedangkan berlian alam mengandung sekitar satu persen dari versi karbon yang lebih berat. Inti C-13 magnetik berikutnya dalam berlian buatan karenanya lebih jauh dari satu sama lain daripada di berlian alami dan dengan sendirinya mengganggu lebih sedikit satu sama lain. Trik kedua adalah menetralisir efek dari sisa inti C-13 pada qubit dengan bantuan pulsa frekuensi radio yang dipilih secara cerdas. Kedua metode meningkatkan masa pakai qubit menjadi sekitar 1,4 detik.

“Teorinya mengatakan bahwa masa hidup qubit dapat ditingkatkan hingga maksimal 36 jam,” kata David Hunger. “Pada prinsipnya, keterbatasan saat ini dapat didorong kembali lebih jauh dengan meningkatkan teknologi.” Misalnya, dengan meningkatkan kekuatan laser hijau, meskipun ini akan membuatnya perlu untuk mendinginkan berlian. Selain itu, urutan optimal yang lebih baik dari pulsa kontrol dan pengurangan lebih lanjut dalam konsentrasi C-13 dapat meningkatkan masa pakai. Tantangan yang akan diambil tim peneliti ini, menurut fisikawan.

Selain kenangan kuantum untuk kartu kredit atau paspor, para peneliti membayangkan bahwa kenangan kuantum bisa menjadi penting dalam jaringan komunikasi masa depan berdasarkan informasi kuantum. Jaringan seperti itu akan diperlukan untuk pertukaran informasi antara komputer kuantum, misalnya. “Informasi kuantum perlu disimpan sementara di jalur yang lebih panjang melalui jaringan seperti itu,” kata Hunger. Kristal berlian, seperti yang digunakan dalam penyelidikan ini, dapat digunakan untuk apa yang disebut repeater. Kelaparan mengakui, bagaimanapun, bahwa miniaturisasi laser, gelombang mikro dan sumber frekuensi radio harus berkembang secara signifikan untuk memungkinkan aplikasi seperti kartu kredit yang aman. Teknologi pembacaan juga harus menjadi lebih efisien. Tapi ini hanya masalah waktu.