Memutar Quantum Phase Dial
Quantum computing telah lama menjanjikan untuk merevolusi bidang-bidang dari drug discovery hingga cryptography, tetapi membangun quantum hardware yang dapat diandalkan telah terbukti sangat sulit. Salah satu komponen fundamental paling dicari — topological superconductors — telah sangat sulit ditemukan. Sekarang, sebuah tim peneliti telah mendemonstrasikan metode yang sangat sederhana untuk menciptakan material eksotis ini, berpotensi menghilangkan hambatan besar dalam pengembangan quantum computer.
Wawasan kunci melibatkan penyesuaian yang terkesan sederhana: mengubah rasio presisi tellurium terhadap selenium dalam film kristal ultra-tipis. Dengan menyesuaikan komposisi kimia ini dengan hati-hati, para peneliti dapat secara sistematis mengontrol interaksi elektronik dalam material, secara efektif mengubah berbagai quantum phases hingga mereka mencapai keadaan topological superconducting.
Hasilnya signifikan karena topological superconductors menghosting jenis khusus dari quantum excitation yang disebut Majorana fermions — partikel yang merupakan antipartikel mereka sendiri. Quasiparticles eksotis ini secara teoritis kebal terhadap banyak gangguan yang mengganggu quantum bits konvensional, menjadikan mereka kandidat ideal untuk membangun fault-tolerant quantum computers yang dapat mempertahankan coherence cukup lama untuk melakukan perhitungan yang berguna.
Mengapa Topological Superconductors Penting
Untuk memahami mengapa penemuan ini penting, membantu untuk mempertimbangkan tantangan pusat quantum computing: decoherence. Quantum bits, atau qubits, mengkodekan informasi dalam quantum states yang sangat sensitif terhadap lingkungan mereka. Bahkan getaran kecil, fluktuasi suhu, atau noise elektromagnetik dapat menyebabkan qubit kehilangan sifat quantum-nya, memperkenalkan kesalahan yang dengan cepat menumpuk dan membuat komputasi tidak berarti.
Quantum computers saat ini mengatasi masalah ini melalui error correction — menggunakan banyak physical qubits untuk mengkodekan satu logical qubit, dengan pemantauan konstan dan koreksi kesalahan. Pendekatan ini berfungsi, tetapi sangat intensif sumber daya. Quantum processors paling canggih saat ini mendedikasikan sebagian besar qubit mereka untuk error correction daripada komputasi sebenarnya.
Topological qubits menawarkan pendekatan yang fundamentally berbeda. Daripada mengkodekan informasi dalam quantum states yang rapuh yang harus terus-menerus dikoreksi, topological qubits menyimpan informasi dalam sifat global dari pasangan Majorana fermion. Sifat-sifat ini secara inheren dilindungi terhadap gangguan lokal — seperti simpul yang tidak dapat dilepas hanya dengan menggoyangkan tali. Perlindungan topological ini dapat secara drastis mengurangi overhead yang diperlukan untuk error correction, membuat quantum computation praktis jauh lebih feasible.
Penemuan Tellurium-Selenium
Tim penelitian bekerja dengan film tipis dari keluarga material bismuth-telluride, yang merupakan topological insulators yang terkenal — material yang menghantarkan listrik di permukaan mereka tetapi bersifat insulating di bagian dalam mereka. Dengan menumbuhkan film-film ini dengan komposisi yang dikendalikan dengan hati-hati, secara bertahap mengganti atom selenium untuk atom tellurium, para peneliti memetakan bagaimana sifat elektronik material berkembang.
Apa yang mereka temukan adalah bahwa pada rasio komposisi tertentu, interaksi antara elektron dalam material mengalami phase transition. Elektron mulai berpasangan dengan cara yang menghasilkan baik superconductivity — kemampuan untuk menghantarkan listrik tanpa hambatan — dan topological order, sifat matematis yang memberikan perlindungan terhadap decoherence.
Yang penting, transisi ini dapat diakses melalui kontrol komposisi saja, tanpa memerlukan tekanan ekstrem, substrat eksotis, atau kondisi sulit-untuk-direproduksi lainnya yang telah membatasi pendekatan sebelumnya ke topological superconductivity. Film-film ditumbuhkan menggunakan molecular beam epitaxy, teknik yang sudah mapan digunakan luas dalam industri semiconductor, menunjukkan bahwa scaling up produksi bisa relatif sederhana.
Tantangan Sebelumnya di Bidang Ini
Pencarian topological superconductors telah menjadi salah satu area paling intens dan kadang-kadang kontroversial dalam condensed matter physics. Pada 2018, makalah high-profile di Nature yang mengklaim telah mengamati Majorana fermions dalam semiconductor nanowires ditarik kembali setelah peneliti lain tidak dapat mereproduksi hasil. Episode itu membuat bayangan atas seluruh bidang dan menaikkan standar untuk apa yang merupakan bukti meyakinkan.
Pendekatan lain telah melibatkan stacking material yang berbeda dalam heterostructures kompleks, menerapkan medan magnet tinggi, atau menggunakan material yang sulit disintesis dengan andal. Meskipun kemajuan telah dicapai di berbagai front, tidak ada pendekatan yang telah memberikan kombinasi topological superconductivity yang kokoh dan manufacturability praktis yang diperlukan untuk fabrikasi perangkat quantum skala besar.
Pendekatan composition-tuning baru ini menarik tepat karena kesederhanaannya. Daripada engineering struktur multi-layer kompleks atau bekerja dalam kondisi ekstrem, para peneliti mendemonstrasikan bahwa sistem material tunggal dapat secara halus disesuaikan ke quantum state yang diinginkan melalui variabel kimia yang terkontrol dengan baik.
Dari Lab ke Quantum Computer
Tantangan signifikan tetap ada sebelum penemuan ini dapat diterjemahkan ke dalam quantum hardware yang berfungsi. Keadaan topological superconducting diamati pada suhu sangat rendah, seperti yang khas untuk material superconducting. Mendemonstrasikan penciptaan dan manipulasi aktual dari Majorana fermions dalam film-film ini — dan menunjukkan bahwa mereka menunjukkan non-Abelian braiding statistics yang diperlukan untuk topological quantum computation — akan memerlukan eksperimen lebih lanjut.
Namun demikian, penelitian ini mewakili langkah maju yang bermakna. Dengan menyediakan platform yang tunable dan reproducible untuk mempelajari topological superconductivity, film tellurium-selenium yang tipis memberikan experimentalists alat baru untuk menyelidiki physics yang menopang topological quantum computing. Dan kompatibilitas dengan teknik thin-film growth yang mapan berarti bahwa material dapat dengan mudah diproduksi oleh grup penelitian lain, mempercepat laju discovery.
Bagi industri quantum computing — yang telah menginvestasikan miliaran dolar dalam mengejar mesin yang praktis dan fault-tolerant — setiap kemajuan yang membawa topological qubits lebih dekat ke kenyataan layak untuk diperhatikan. Penyesuaian kimia ini mungkin tampak sederhana, tetapi di dunia quantum materials, kadang-kadang perubahan paling sederhana menghasilkan hasil paling mendalam.
Artikel ini didasarkan pada pelaporan oleh Science Daily. Baca artikel asli.
