Sebuah tim fisikawan telah mengatasi kendala besar dalam bidang komputasi kuantum dengan secara signifikan meningkatkan umur magnon, gelombang magnet kecil yang mampu membawa informasi kuantum. Para peneliti memperpanjang umurnya dari beberapa ratus nanodetik menjadi 18 mikrodetik, hampir 100 kali lebih lama dari sebelumnya. Kemajuan ini pada akhirnya memungkinkan pembuatan komputer kuantum ultra-kompak, yang berpotensi sekecil koin 1 sen.
Tim peneliti internasional yang dipimpin Andrii Chumak dari Universitas Wina juga menemukan hal penting. Mereka menemukan bahwa umur magnon tidak dibatasi oleh hukum fisika, namun oleh kualitas material yang dilewatinya. Temuan mereka dipublikasikan di Kemajuan ilmu pengetahuan.
Apa itu Magnon?
Magnon adalah gelombang magnetisasi kecil yang merambat melalui padatan magnet. Hal ini dapat diumpamakan dengan riak yang menyebar ke seluruh kolam setelah sebuah batu jatuh ke dalam air. Tidak seperti foton, yang bergerak dalam ruang kosong atau serat optik, magnon tetap berada di dalam bahan magnetis.
Karena panjang gelombangnya dapat dikurangi menjadi hanya beberapa nanometer, sirkuit berbasis magnon berpotensi masuk ke dalam chip yang tidak lebih besar dari yang sudah ditemukan di ponsel pintar. Magnon juga secara alami berinteraksi dengan kuasipartikel fundamental lainnya, termasuk fonon dan foton, menjadikannya bahan penyusun yang menarik untuk sistem kuantum hibrid dan metrologi kuantum.
Memecahkan Masalah Umur Magnon
Selama bertahun-tahun, salah satu tantangan terbesar yang dihadapi teknologi Magnon adalah umurnya yang sangat pendek. Karena mereka hanya mampu bertahan beberapa ratus nanodetik, mereka menghilang terlalu cepat untuk dapat menyimpan atau mentransfer informasi kuantum dengan andal.
Studi baru mengubah gambaran itu. Dengan meningkatkan masa pakai magnon menjadi 18 mikrodetik, para peneliti telah mengubah sinyal yang hanya sesaat ini menjadi pembawa informasi kuantum yang berumur panjang. Performanya kini mendekati rentang waktu yang diperlukan untuk teknologi kuantum praktis dan menjadikan magnon sebanding dengan qubit superkonduktor yang digunakan dalam prosesor kuantum terkemuka saat ini.
Bagaimana para peneliti mencapai terobosan tersebut
Terobosan tersebut merupakan hasil kombinasi dua teknik penting.
Pertama, alih-alih menggunakan magnon seragam konvensional, tim menghasilkan magnon dengan panjang gelombang pendek. Ini secara alami kurang sensitif terhadap cacat kecil pada permukaan kristal, yang telah memperpendek umur magnon dalam percobaan sebelumnya.
Kedua, para peneliti mendinginkan bola garnet besi yttrium ultra-murni (YIG) menjadi hanya 30 miliklvin di dalam cryostat fase campuran. Pada suhu hanya sepersekian derajat di atas nol mutlak, proses termal yang biasanya menghancurkan magnon secara efektif dibekukan.
Materi, bukan fisika, yang menentukan batasannya
Mungkin penemuan yang paling mengejutkan adalah mengidentifikasi apa yang kini membatasi umur magnon.
Dengan menguji tiga bola YIG dengan tingkat kemurnian berbeda, para peneliti menemukan tren yang jelas. Semakin murni kristalnya, semakin lama magnon bertahan. Bahkan sampel yang paling murni pun mengungguli semua percobaan sebelumnya.
Hasilnya menunjukkan bahwa perbaikan di masa depan terutama bergantung pada kemajuan ilmu material dibandingkan mengatasi hukum alam yang tidak bisa dihindari. Ketika para peneliti mengembangkan bahan magnetik yang lebih murni, umur magnon dapat terus meningkat.
Mengapa ini penting untuk komputasi kuantum
Dengan masa hidup yang mencapai 18 mikrodetik, magnon menjadi lebih dari sekadar sinyal sementara. Mereka dapat berfungsi sebagai perangkat memori kuantum yang andal dan saluran komunikasi dengan kerugian rendah untuk memindahkan informasi kuantum melintasi sebuah chip.
Para peneliti mengatakan magnon pada akhirnya dapat menghubungkan ratusan qubit melalui jalur bersama, menciptakan “bus kuantum” yang telah lama dicari yang akan membantu mengembangkan komputer kuantum di masa depan. Karena magnon secara alami berinteraksi dengan banyak sistem kuantum yang berbeda, mereka juga dapat bertindak sebagai penerjemah universal, memungkinkan teknologi yang biasanya tidak dapat berkomunikasi satu sama lain untuk bekerja sama.
Penelitian ini didasarkan pada eksperimen yang dilakukan oleh Rostyslav Serha selama penelitian doktoralnya. Proyek ini dipimpin oleh Universitas Wina bekerja sama dengan Universitas Colorado, Colorado Springs, dan lembaga penelitian di Jerman, Amerika Serikat, dan Ukraina. Rekan penulis Kaitlin McAllister berpartisipasi melalui Vienna Graduate School of Physics, yang menawarkan magang bagi mahasiswa master berprestasi dari seluruh dunia.
