Komputasi kuantum dapat merevolusi dunia kita. Untuk tugas-tugas spesifik dan krusial, ia berjanji akan lebih cepat secara eksponensial daripada teknologi biner nol-atau-satu yang mendasari mesin saat ini, dari superkomputer di laboratorium hingga telepon pintar di saku kita. Tetapi mengembangkan komputer kuantum bergantung pada pembangunan jaringan qubit yang stabil — atau bit kuantum — untuk menyimpan informasi, mengaksesnya, dan melakukan komputasi.
Namun platform qubit yang diluncurkan hingga saat ini memiliki masalah yang sama: Mereka cenderung rapuh dan rentan terhadap gangguan dari luar. Bahkan foton yang tersesat dapat menimbulkan masalah. Mengembangkan qubit yang toleran terhadap kesalahan — yang akan kebal terhadap gangguan eksternal — bisa menjadi solusi akhir untuk tantangan ini.
Sebuah tim yang dipimpin oleh para ilmuwan dan insinyur di University of Washington telah mengumumkan kemajuan yang signifikan dalam pencarian ini. Dalam sepasang makalah yang diterbitkan 14 Juni di Nature dan 22 Juni di Science, mereka melaporkan bahwa, dalam percobaan dengan serpihan bahan semikonduktor — masing-masing hanya setebal satu lapisan atom — mereka mendeteksi tanda “Fraksional Quantum Anomalous Hall” ( FQAH) menyatakan. Penemuan tim menandai langkah pertama dan menjanjikan dalam membangun jenis qubit yang toleran terhadap kesalahan karena status FQAH dapat menampung siapa saja — “quasipartikel” aneh yang hanya memiliki sebagian kecil dari muatan elektron. Beberapa jenis anyon dapat digunakan untuk membuat apa yang disebut qubit “dilindungi secara topologi”, yang stabil terhadap gangguan lokal kecil apa pun.
“Ini benar-benar membentuk paradigma baru untuk mempelajari fisika kuantum dengan eksitasi fraksional di masa depan,” kata Xiaodong Xu, peneliti utama di balik penemuan ini, yang juga Profesor Fisika Terhormat Boeing dan profesor ilmu dan teknik material di UW .
Status FQAH terkait dengan status Hall kuantum fraksional, fase materi eksotis yang ada dalam sistem dua dimensi. Dalam keadaan ini, konduktivitas listrik dibatasi pada pecahan tepat dari konstanta yang dikenal sebagai kuantum konduktansi. Tetapi sistem Hall kuantum fraksional biasanya membutuhkan medan magnet besar untuk menjaganya tetap stabil, membuatnya tidak praktis untuk aplikasi dalam komputasi kuantum. Keadaan FQAH tidak memiliki persyaratan seperti itu – stabil bahkan “pada medan magnet nol,” menurut tim.
Menjadi tuan rumah fase materi yang eksotis mengharuskan para peneliti untuk membangun kisi buatan dengan sifat-sifat eksotis. Mereka menumpuk dua serpihan tipis atom dari bahan semikonduktor molibdenum ditellurida (MoTe2) pada sudut “putaran” kecil yang relatif satu sama lain. Konfigurasi ini membentuk “kisi sarang lebah” sintetik untuk elektron. Ketika para peneliti mendinginkan irisan yang ditumpuk hingga beberapa derajat di atas nol mutlak, daya tarik intrinsik muncul dalam sistem. Magnet intrinsik menggantikan medan magnet kuat yang biasanya diperlukan untuk keadaan Hall kuantum fraksional. Menggunakan laser sebagai probe, para peneliti mendeteksi tanda tangan dari efek FQAH, sebuah langkah maju yang besar dalam membuka kekuatan siapa pun untuk komputasi kuantum.
Tim – yang juga termasuk para ilmuwan di Universitas Hong Kong, Institut Nasional Ilmu Material di Jepang, Universitas Boston dan Institut Teknologi Massachusetts – membayangkan sistem mereka sebagai platform yang kuat untuk mengembangkan pemahaman yang lebih dalam tentang siapa pun, yang memiliki sifat yang sangat berbeda dari partikel sehari-hari seperti elektron. Anyons adalah kuasipartikel — atau “kegembiraan” seperti partikel — yang dapat bertindak sebagai pecahan elektron. Dalam pekerjaan masa depan dengan sistem eksperimental mereka, para peneliti berharap untuk menemukan versi yang lebih eksotis dari quasipartikel jenis ini: anyon “non-Abelian”, yang dapat digunakan sebagai qubit topologi. Membungkus — atau “mengepang” — anyon non-Abelian di sekeliling satu sama lain dapat menghasilkan keadaan kuantum terjerat. Dalam keadaan kuantum ini, informasi pada dasarnya “tersebar” ke seluruh sistem dan tahan terhadap gangguan lokal — membentuk dasar qubit topologi dan kemajuan besar atas kemampuan komputer kuantum saat ini.
“Jenis qubit topologi ini pada dasarnya akan berbeda dari yang dapat dibuat sekarang,” kata mahasiswa doktoral fisika UW Eric Anderson, yang merupakan penulis utama makalah Science dan penulis bersama makalah Nature. “Perilaku aneh orang-orang non-Abelian akan membuat mereka jauh lebih kuat sebagai platform komputasi kuantum.”
Tiga sifat utama, yang semuanya ada secara bersamaan dalam pengaturan eksperimental para peneliti, memungkinkan munculnya status FQAH:
- Magnetisme: Meskipun MoTe2 bukan bahan magnetik, ketika mereka memuat sistem dengan muatan positif, “urutan putaran spontan” – suatu bentuk magnetisme yang disebut feromagnetisme – muncul.
- Topologi: Muatan listrik dalam sistem mereka memiliki “pita bengkok”, mirip dengan strip Möbius, yang membantu membuat topologi sistem.
- Interaksi: Muatan dalam sistem eksperimental mereka berinteraksi cukup kuat untuk menstabilkan keadaan FQAH.
Tim berharap, dengan menggunakan pendekatan mereka, siapa pun non-Abelian menunggu untuk ditemukan.
“Tanda tangan yang diamati dari efek Hall anomali kuantum fraksional sangat menginspirasi,” kata mahasiswa doktoral fisika UW Jiaqi Cai, penulis utama makalah Nature dan rekan penulis makalah Science. “Keadaan kuantum yang bermanfaat dalam sistem dapat menjadi laboratorium dalam sebuah chip untuk menemukan fisika baru dalam dua dimensi, dan juga perangkat baru untuk aplikasi kuantum.”
“Pekerjaan kami memberikan bukti yang jelas tentang negara-negara FQAH yang telah lama dicari,” kata Xu, yang juga merupakan anggota dari Molecular Engineering and Sciences Institute, Institute for Nano-Engineered Systems dan Clean Energy Institute, semuanya di UW. “Kami saat ini sedang mengerjakan pengukuran transportasi listrik, yang dapat memberikan bukti langsung dan tidak ambigu dari eksitasi fraksional pada medan magnet nol.”
Tim percaya bahwa, dengan pendekatan mereka, menyelidiki dan memanipulasi status FQAH yang tidak biasa ini dapat menjadi hal yang biasa — mempercepat perjalanan komputasi kuantum.
Rekan penulis tambahan di makalah adalah William Holtzmann dan Yinong Zhang di Departemen Fisika UW; Di Xiao, Chong Wang, Xiaowei Zhang, Xiaoyu Liu dan Ting Cao di Departemen Ilmu & Teknik Material UW; Feng-Ren Fan dan Wang Yao di University of Hong Kong dan Joint Institute of Theoretical and Computational Physics di Hong Kong; Takashi Taniguchi dan Kenji Watanabe dari National Institute of Material Science di Jepang; Ying Ran dari Universitas Boston; dan Liang Fu di MIT. Penelitian ini didanai oleh Departemen Energi AS, Kantor Riset Ilmiah Angkatan Udara, National Science Foundation, Research Grants Council of Hong Kong, Croucher Foundation, Tencent Foundation, Japan Society for the Promotion of Science dan Universitas Washington.
