Ilmuwan Mencatat Perubahan Gelombang Guncangan Atom di Dalam Kristal Sebelum Pembentukan Qubit

Ilmuwan mencatat perubahan yang terjadi di dalam kristal sesaat sebelum pembentukan qubit. Tim peneliti dari Laboratorium Nasional Argonne, Departemen Energi AS, melacak perubahan struktur tiga dimensi di dalam karbida silikon. Dalam eksperimen mereka, tim tersebut menggunakan salah satu sumber sinar-X paling kuat di dunia. Hasil penelitian diterbitkan di jurnal ACS Nano, memungkinkan peneliti mengamati secara real-time bagaimana kisi atom material merespons serangan laser. Pembangunan perangkat kuantum padat biasanya melibatkan kerusakan yang disengaja. Fisikawan menembakkan pulsa laser supercepat ke kisi kristal. Kilatan itu hanya berlangsung sesaat, dan menghempaskan atom tunggal dari posisinya.

Komponen Dasar Qubit

Proses ini meninggalkan rongga kecil yang disebut vacancy (kosong). "Kosong-kosong ini bukan cacat; mereka dapat berperilaku sebagai qubit—blok bangunan dasar informasi kuantum," kata Laboratorium Nasional Argonne. Qubit digunakan untuk menyimpan dan memproses informasi kuantum, sehingga mereka menjadi blok bangunan fundamental untuk komputer kuantum, jaringan komunikasi aman, dan sensor medis canggih.

Sampai saat ini, mekanisme fisik pasti dari serangan laser ini tetap menjadi titik buta. Metode lama menggunakan ion atau bundel elektron, tetapi kontrol posisi terbatas. Laser dapat menargetkan posisi spesifik, tetapi peneliti hanya bisa menebak bagaimana energi bergerak dalam kisi. Pembuatan qubit pada besarnya adalah proses coba-coba. "Sebelum Anda dapat merancang cacat kuantum secara presisi, Anda harus benar-benar memahami apa yang dilakukan laser di dalam material," kata ilmuwan Laboratorium Nasional Argonne, Haidan Wen, salah satu penulis makalah tersebut. "Teknik ini memungkinkan kita mengamati proses itu berlangsung, khususnya gerakan atom dengan cara yang sebelumnya mustahil."

Untuk memecahkan teka-teki ini, tim Argonne membangun kamera tingkat atom. Mereka menggabungkan laser ultrasepat dengan Advanced Photon Source laboratorium, yang mampu menghasilkan sinar-X sangat terang. Tim memfokuskan sinar itu hingga beberapa ratus nanometer, sekitar seperatus diameter rambut manusia.

Mengamati Perubahan Gelombang Guncangan Atom

Sinar-X keras mampu menembus kristal secara langsung. Berkat penetrasi ini, pulsa mencatat aktivitas di dalam sampel, bukan hanya permukaan luar. Laser menghantam material, dan kilatan sinar-X sinkron menangkap respons instan yang mengikuti. Pencitraan menunjukkan dua reaksi fisik berbeda yang terjadi bersamaan. Sebagian energi melewati kristal dalam bentuk gelombang guncangan teratur. Gelombang ini merambat seperti riak di permukaan karet yang dipukul. Sementara itu, sisa energi menyebar sebagai panas dengan kecepatan lebih lambat. Pulsa panas ini membuat atom di sekitarnya bergetar secara acak, sebelum kisi kembali stabil.

Karbida silikon sudah menjadi tulang punggung industri chip komputer komersial. Pabrik sudah tahu cara memproduksinya secara massal. Oleh karena itu, material ini dianggap secara luas sebagai kandidat terbaik untuk produksi massal perangkat keras kuantum.

Insinyur berharap data ini dapat mengurangi kebutuhan akan pendekatan coba-coba. Dengan memetakan transfer energi ini, peneliti bertujuan agar akhirnya dapat menempatkan qubit tunggal secara presisi pada koordinat tertentu sesuai kebutuhan. Tim ini kini berencana menguji metode pencitraan mereka pada material kuantum lain, mendekatkan prototipe produksi laboratorium ke lini perakitan pabrik.

Potensi Pengembangan Masa Depan Komputasi Kuantum

Penelitian ini mengungkap mekanisme fisik kunci dalam proses pembentukan qubit, khususnya pengaruh laser terhadap gerakan atom di dalam kristal. Melalui pengamatan real-time, ilmuwan dapat memahami secara mendalam transfer energi dalam kisi, yang krusial bagi pengembangan komputer kuantum. Karbida silikon sebagai tulang punggung chip komersial, jika berhasil diterapkan pada perangkat keras kuantum, akan sangat mempercepat komersialisasi teknologi kuantum. Kemajuan teknologi ini tidak hanya meningkatkan efisiensi komputasi kuantum, tetapi juga berpotensi mendorong komunikasi yang lebih aman dan aplikasi medis canggih.