Cairan putaran kuantum — ScienceDaily
Most Popular

Cairan putaran kuantum — ScienceDaily

Pada tahun 1973, fisikawan Philip W. Anderson berteori tentang keberadaan keadaan materi baru yang telah menjadi fokus utama bidang ini, terutama dalam perlombaan komputer kuantum.

Keadaan materi yang aneh ini disebut cairan spin kuantum dan, bertentangan dengan namanya, tidak ada hubungannya dengan cairan sehari-hari seperti air. Sebaliknya, ini semua tentang magnet yang tidak pernah membeku dan cara elektron di dalamnya berputar. Dalam magnet biasa, ketika suhu turun di bawah suhu tertentu, elektron menstabilkan dan membentuk sepotong materi padat dengan sifat magnetik. Dalam cairan putaran kuantum, elektron tidak stabil ketika didinginkan, tidak membentuk menjadi padat, dan terus berubah dan berfluktuasi (seperti cairan) di salah satu keadaan kuantum paling terjerat yang pernah ada.

Sifat yang berbeda dari cairan spin kuantum memiliki aplikasi yang menjanjikan yang dapat digunakan untuk memajukan teknologi kuantum seperti superkonduktor suhu tinggi dan komputer kuantum. Tetapi masalah tentang keadaan materi ini adalah keberadaannya. Tidak ada yang pernah melihatnya — setidaknya, itulah yang terjadi selama hampir 50 tahun.

Hari ini, tim fisikawan yang dipimpin Harvard mengatakan bahwa mereka akhirnya secara eksperimental mendokumentasikan keadaan materi eksotis yang telah lama dicari ini. Pekerjaan tersebut dijelaskan dalam sebuah studi baru di jurnal Sains dan menandai langkah besar untuk dapat menghasilkan keadaan yang sulit dipahami ini sesuai permintaan dan untuk mendapatkan pemahaman baru tentang sifat misteriusnya.

“Ini adalah momen yang sangat istimewa di lapangan,” kata Mikhail Lukin, Profesor Fisika George Vasmer Leverett, salah satu direktur Harvard Quantum Initiative (HQI), dan salah satu penulis senior studi tersebut. “Anda benar-benar dapat menyentuh, menyodok, dan mendorong keadaan eksotis ini dan memanipulasinya untuk memahami sifat-sifatnya. …Ini adalah keadaan materi baru yang tidak pernah dapat diamati orang.”

Pembelajaran dari penelitian sains ini suatu hari nanti dapat memberikan kemajuan untuk merancang bahan dan teknologi kuantum yang lebih baik. Lebih khusus lagi, sifat eksotis dari cairan putaran kuantum dapat memegang kunci untuk menciptakan bit kuantum yang lebih kuat – yang dikenal sebagai qubit topologi – yang diharapkan tahan terhadap kebisingan dan gangguan eksternal.

“Itu adalah mimpi dalam komputasi kuantum,” kata Giulia Semeghini, rekan postdoctoral di Harvard-Max Planck Quantum Optics Center dan penulis utama studi tersebut. “Mempelajari cara membuat dan menggunakan qubit topologi semacam itu akan mewakili langkah besar menuju realisasi komputer kuantum yang andal.”

Tim peneliti berangkat untuk mengamati keadaan materi seperti cairan ini menggunakan simulator kuantum yang dapat diprogram yang awalnya dikembangkan lab pada tahun 2017. Simulator ini adalah jenis komputer kuantum khusus yang memungkinkan para peneliti untuk membuat bentuk yang dapat diprogram seperti kotak, sarang lebah, atau segitiga. kisi untuk merekayasa interaksi dan keterikatan yang berbeda antara atom ultradingin. Ini digunakan untuk mempelajari sejumlah proses kuantum yang kompleks.

Ide menggunakan simulator kuantum adalah untuk dapat mereproduksi fisika mikroskopis yang sama yang ditemukan dalam sistem materi terkondensasi, terutama dengan kebebasan yang memungkinkan sistem dapat diprogram.

“Anda dapat memindahkan atom sejauh yang Anda inginkan, Anda dapat mengubah frekuensi sinar laser, Anda benar-benar dapat mengubah parameter alam dengan cara yang tidak dapat Anda lakukan pada materi di mana hal-hal ini dipelajari sebelumnya,” kata rekan penulis studi Subir Sachdev, Profesor Fisika Herchel Smith dan Profesor Tamu Terhormat Maureen dan John Hendricks saat ini di Institute for Advanced Study. “Di sini, Anda dapat melihat setiap atom dan melihat apa yang dilakukannya.”

Pada magnet konvensional, putaran elektron mengarah ke atas atau ke bawah dalam beberapa pola yang teratur. Dalam magnet kulkas sehari-hari, misalnya, semua putaran mengarah ke arah yang sama. Ini terjadi karena putaran biasanya bekerja dalam pola kotak centang dan dapat berpasangan sehingga mereka dapat menunjuk ke arah yang sama atau bergantian, menjaga urutan tertentu.

Cairan putaran kuantum tidak menunjukkan urutan magnetis itu. Ini terjadi karena, pada dasarnya, ada putaran ketiga yang ditambahkan, mengubah pola kotak centang menjadi pola segitiga. Sementara pasangan selalu dapat stabil dalam satu arah atau yang lain, dalam segitiga, putaran ketiga akan selalu menjadi elektron ganjil yang keluar. Ini membuat magnet “frustrasi” di mana putaran elektron tidak dapat stabil dalam satu arah.

“Pada dasarnya, mereka berada dalam konfigurasi yang berbeda pada saat yang sama dengan probabilitas tertentu,” kata Semeghini. “Ini adalah dasar untuk superposisi kuantum.”

Para ilmuwan Harvard menggunakan simulator untuk membuat pola kisi frustrasi mereka sendiri, menempatkan atom di sana untuk berinteraksi dan menjerat. Para peneliti kemudian dapat mengukur dan menganalisis string yang menghubungkan atom setelah seluruh struktur terjerat. Kehadiran dan analisis string tersebut, yang disebut string topologi, menandakan bahwa korelasi kuantum sedang terjadi dan bahwa keadaan cairan spin kuantum telah muncul.

Pekerjaan ini dibangun di atas prediksi teoretis sebelumnya dari Sachdev dan mahasiswa pascasarjananya, Rhine Samajdar, dan berdasarkan proposal khusus oleh Ashvin Vishwanah, seorang profesor fisika Harvard, dan Ruben Verresen, seorang rekan postdoctoral HQI. Eksperimen ini dilakukan bekerja sama dengan lab Markus Griener, co-director Max Planck-Harvard Research Center for Quantum Optics dan Profesor Fisika George Vasmer Leverett, dan ilmuwan dari University of Innsbruck dan QuEra Computing di Boston.

“Balik-balik antara teori dan eksperimen sangat merangsang,” kata Verresen. “Itu adalah saat yang indah ketika potret atom diambil dan konfigurasi dimer yang diantisipasi menatap wajah kami. Aman untuk mengatakan bahwa kami tidak mengharapkan proposal kami untuk direalisasikan dalam hitungan bulan.”

Setelah mengkonfirmasi keberadaan cairan spin kuantum, para peneliti beralih ke kemungkinan penerapan keadaan materi ini untuk menciptakan qubit yang kuat. Mereka melakukan uji bukti konsep yang menunjukkan bahwa suatu hari nanti mungkin saja membuat bit kuantum ini dengan menempatkan cairan spin kuantum dalam susunan geometris khusus menggunakan simulator.

Para peneliti berencana untuk menggunakan simulator kuantum yang dapat diprogram untuk terus menyelidiki cairan spin kuantum dan bagaimana mereka dapat digunakan untuk membuat qubit yang lebih kuat. Qubit, bagaimanapun, adalah blok bangunan fundamental di mana komputer kuantum dijalankan dan sumber kekuatan pemrosesan besar-besaran mereka.

“Kami menunjukkan langkah pertama tentang cara membuat qubit topologi ini, tetapi kami masih perlu menunjukkan bagaimana Anda benar-benar dapat menyandikannya dan memanipulasinya,” kata Semeghini. “Sekarang ada lebih banyak untuk dijelajahi.”

Posted By : togel hongkonģ