Pada tahun 1959 Feynman memberikan kuliah yang luar biasa ini, di mana dia mengajukan ide ini untuk jenis perhitungan baru. Tidak hanya menggunakan rangkaian klasik, tetapi sistem yang melibatkan tingkat energi terkuantisasi, atau interaksi putaran terkuantisasi. Dengan kata lain membangun komputer yang menggunakan spin quantum sebagai bitnya, bukan bit klasik, yang akan memungkinkan Anda untuk menggunakan sistem kuantum untuk memodelkan sistem kuantum lain. Tidak ada teknologi pada tahun 1959 untuk melakukan apa pun dengan gagasan itu
Kami mencoba melakukan sesuatu dengan gagasan itu. Ini adalah atom fosfor yang berubah menjadi kristal silikon dengan indah. Kita dapat melihat ia memiliki putaran nuklir di dalam. Inti fosfor dan satu elektron yang mengorbit di sekitarnya. Elektron ini memiliki putaran yang dapat dimanfaatkan untuk aplikasi teknologi.
Izinkan saya menjelaskan kekuatan bit kuantum alih-alih bit klasik terlebih dahulu. Semua, mari kita ambil Abacus. Alat ini digunakan selama ribuan tahun dan prinsip yang sama di balik itu. Abacus juga merupakan inti dari pemrosesan klasik yang terjadi di ponsel saya. Di sini, cara kerja abacus untuk Anda yang membutuhkan penyegaran cepat adalah bahwa nilai bit ditentukan oleh posisinya pada kawat di bingkai Abacus. Bit di kanan atas, ada di posisi bawah disebut 0. Tetapi jika Anda membalikkan bit ini dan meletakkannya di posisi atas yang mewakili 1. Dengan sangat efektif apa yang telah Anda lakukan adalah Anda telah mengganti bit dengan panah, yang dapat kita sebut vektor. Dengan membalik arah vektor hingga 180 derajat Anda mengubah nilai bit klasik.
Itu adalah satu-satunya dua nilai yang mungkin dimiliki oleh bit klasik, ke bawah adalah 0 atau ke atas adalah 1. Sekarang bayangkan Anda mengambil kabel dari bingkai Abacus dan membiarkannya menempati orientasi apa pun di ruang. Inilah yang dimaksud dengan bit kuantum. Bit kuantum ada sebagai superposisi di dua tempat pada saat yang sama, seperti foton Einstein menjadi gelombang. Nilai itu bisa menjadi jumlah dari keadaan 0 dan dan keadaan 1, yang menentukan orientasinya di ruang.
Hanya ada satu tangkapan yang dapat Anda manfaatkan yang luar biasa ini. Keserbagunaan besar, asalkan Anda tidak mengamati qubit. Karena segera setelah Anda mengamatinya, ia akan langsung decoherence. Di sini seperti foton berubah dari gelombang menjadi partikel ketika berinteraksi dengan hanya satu elektron, menjadi nilai klasiknya 0 atau 1. Jadi, Anda dapat melakukan perhitungan besar-besaran untuk mengeksploitasi ruang fase yang sangat besar. Ini seperti yang kami katakan dalam pembicaraan teknis asalkan komputer kuantum yang mengeksploitasi teknologi ini tidak berinteraksi dengan dunia luar sampai menyelesaikan perhitungan, yang merupakan hal yang menantang untuk dilakukan.
Pada tahun 1998 pascadoktoral muda di Universitas New South Wales, Bruce Kane menerbitkan makalah penulis tunggal ini dalam jurnal "Nature", komputer kuantum spin nuklir berbasis silikon berdasarkan atom fosfor yang tertanam dalam kisi kristal silikon. Makalah ini telah dikutip ribuan kali dan memicu penilaian ulang gagasan qubit dalam perangkat rekayasa. Hari ini bersama kolega saya di pusat komputasi quantum dan teknologi komunikasi di Australia, kami telah menyempurnakan arsitektur Bruce Kane menjadi sesuatu yang kami yakini dapat kami bangun berdasarkan atom fosfor tunggal yang tertanam dalam Silikon.
Masing-masing dikontrol secara individual oleh elektroda terintegrasi ke permukaan chip dengan cara yang sama, ada berjuta elektroda yang terintegrasi ke dalam ukuran mikrometer perangkat klasik di dalam ponsel ini. Pada dasarnya kami menggunakan alat standar industri semikonduktor yang disempurnakan sekarang selama 60 atau 70 tahun untuk memasuki domain kuantum. Sekarang ini Revolusi Kuantum Kedua yang baru saja muncul dan mengapa kita ingin melakukan ini dengan baik kembali ke ide Feynman tentang penggunaan sistem quantum untuk memodelkan sistem kuantum lain suatu hari nanti.
Fakta berikutnya, pandemi berikutnya dapat dilawan bukan dengan tabung reaksi dan cawan petri dengan cara tradisional tetapi dengan merekayasa balik protein lonjakan pada virus berikutnya. Kemudian rekayasa dalam silikon bentuk molekul yang diperlukan untuk memperkuat pekerjaan dan bertindak sebagai vaksin. Ini adalah mimpi yang akan sangat bermanfaat.
Hari ini komputer kuantum sudah dibangun dengan puluhan atau bahkan ratusan qubit di mana langkah tentatif pertama ke arah itu diambil. Tetapi jika Anda ingin membagi vaksin, Anda harus melakukan perhitungan besar-besaran. Anda akan membutuhkan jutaan atau bahkan miliaran qubit. Berapa qubit termurah yang mungkin dibuat berdasarkan satu atom. 1 atom benar-benar murah.
Ada atribut quantum lainnya termasuk keterikatan (entanglement), sumur kuantum (barrier), terowongan kuantum (tunneling), koheren, dekoheren, kucing Schrodinger, dan teleportasi yang juga dapat dimasukkan ke dalam teknologi quantum yang baru. Tetapi saya tidak punya cukup waktu untuk berbicara banyak tentang istilah-istilah iti. Jadi di bagian terakhir pembicaraan saya, saya ingin berbicara, saya ingin menjelaskan beberapa pekerjaan yang kami lakukan dalam membangun perangkat berskala besar dengan menggunakan implantasi besi untuk memasukkan satu atom fosfor qubit menjadi kristal silikon.
gambar ini menunjukkan cara kerjanya, kita melihat seluruh susunan atom fosfor tepat di bawah permukaan kristal silikon. Setiap atom dikendalikan oleh elektroda yang terintegrasi di permukaan. Dengan mengubah tegangan bias pada elektroda, kita dapat menyebabkan qubit untuk berinteraksi tanpa melakukan pengukuran apa pun. Sehingga mereka mempertahankan keadaan quantum mereka untuk berada di dua tempat pada waktu yang sama. Ini membawa saya ke cabang quantum klasik. Setelah eksperimen interferensi celah ganda Young, pertanyaan diajukan,. Hal itu bekerja dengan indah dengan foton, apakah itu bekerja dengan materi? Dapatkah partikel materi seperti elektron berada di dua tempat pada waktu yang sama?
Ini adalah diagram yang diambil dari kuliah terkenal Feynman dalam fisika. Saya memasang ini karena saya pernah duduk di sebelah Feynman di sebuah kolokium, ketika saya menjadi postdoc di Caltech. Saya akan memberi tahu Anda Karisma, wow. Sungguh menakjubkan betapa luar biasa pria ini. Mungkin seoarng pria sedikit berbahaya mungkin, tapi seorang fisikawan yang brilian. Dalam buku teksnya yang terkenal Dia menggambarkan cara materi berperilaku menggunakan percobaan interferensi celah ganda Young.
Dia berkata, Anda dapat mengambil pistol elektron yang memancarkan partikel materi seperti elektron. Anda dapat mengarahkannya ke dinding yang berisi dua celah. Dan di sini di backstop ada detektor untuk mengukur posisi semua elektron yang lewat dari pistol elektron melalui penghalang ke detektor. Ketika Anda melakukan ini dia berkata Anda akan berakhir dengan pola interferensi celah ganda Young, bukan bayangan klasik dari dua celah ini.
Dia berkomentar, percobaan ini tidak pernah dilakukan dengan cara ini. Karena ketika kuliah ini diterbitkan pada awal tahun 60-an tidak ada teknologi untuk mendeteksi elektron tunggal pada satu waktu. Tetapi orang-orang, mari kita lihat kebenaran yang mengejutkan dari cara percobaan ini bekerja. Sebuah elektron, sebuah partikel dari materi, muncul dari pistol elektron dan melewati kedua celah tersebut. Elektron, sebuah partikel dari materi, berada di dua tempat pada waktu yang sama. Karena entah bagaimana ia berubah dari partikel ketika muncul dari pistol elektron menjadi gelombang, melewati kedua celah dan kemudian mengubah dirinya kembali menjadi partikel untuk membuat detektor berbunyi. Dan, semua gelombang itu pergi ke satu tempat, seperti Foton Einstein dalam efek fotolistrik.
Dalam pandangan manusian ini merupakan gagasan yang agak mengejutkan, bahwa sebuah partikel dapat berada di dua tempat berbeda pada waktu yang sama. Ketika kita mengajarkan ini dalam sarjana fisika, kita mengubur hal ini di bawah lapisan matematika yang tebal, untuk menyembunyikannya dari para siswa kebenaran yang mengejutkan tentang apa yang sebenarnya terjadi di sini. Jika mereka bertanya tentang apa yang sebenarnya terjadi di sini, kami hanya mengatakan tutup mulut dan hitung.
Saya telah melakukan percobaan selama 20 tahun, saya mengungkapkan kebenaran yang mengejutkan. Jadi inilah elektronnya berperilaku seperti gelombang quantum saat melewati kedua celah pada saat yang sama, dan kemudian di sini kita memiliki elektron yang berperilaku seperti partikel ketika semuanya menyatu pada detektor, dan membuat detektor berbunyi. Jadi ketika Anda memindahkan detektor ke atas dan ke bawah sepanjang backstop, Anda merekam intensitas elektron yang membentuk pola interferensi yang Anda lihat di ruang kuliah di awal semester.
Jadi hari ini adalah pembagian quantum klasik (classical quantum divide), kami memerlukan perangkat pembacaan klasik untuk operasi mekanika kuantum yang telah kami rekayasa ke dalam perangkat kami. Saya sangat tertarik dengan makalah ini yang diterbitkan pada tahun 2013 di mana penulisnya sangat kurang ajar, mereka menyalin diagram Feynman dari bukunya dan mengatakan sebenarnya kami telah melakukan eksperimen itu. Mereka mengambil pistol elektron, mereka melewatkan elektron tersebut melalui celah ganda, dan mereka memiliki detektor, dan mereka mencatat pola interferensi ketika elektron berinterferensi yang disebabkan oleh atribut ke-quantuman elektron tersebut.
Lagipula, semakin banyak kelompok di Austria telah melakukan percobaan yang sama dengan bola Bucky. 60 atom karbon dalam molekul raksasa ini ditembakkan pada kisi, ternyata molekul dapat berada di dua atau tiga tempat pada waktu yang sama, dan membuat pola interferensi celah ganda Young. Saya menemukan aspek yang sangat menakutkan tetapi indah dari dunia nyata.
Dan hari ini, pembagian quantum klasik ini terlihat di sini, di mana kita memiliki atribut quantum yang direkayasa menjasdi komputer kuantum. Perangkat prototipe ini adalah superkonduktor qubit yang terdiri dari rangkaian magnetik kecil di mana medan magnet, magnet dapat naik, atau turun, atau dalam superposisi naik dan turun, masing-masing perangkat ini sekarang memiliki perangkat pembacaan klasik untuk melaporkan hasilnya ke dunia luar.
Arsitektur terdiri dari atom fosfor tunggal dalam blok silikon dengan rangkaian kontrol. Spin dari atom fosfor adalah partikel quantum kita. Atom fosfor itu dapat berputar di kedua orientasi pada saat yang sama diwakili oleh panah ganda. Kemudian ada transistor elektron tunggal terbentuk oleh elektroda ini, yang terhubung ke osiloskop, dan semua orang ini melihat osiloskop untuk mengamati fenomena dekoheren dari nukleus menjadi orientasi putaran ke atas atau putaran ke bawah.
Pengamat harus berada dalam lingkaran tampaknya. Pertama kali kami melakukan pekerjaan ini, saya berada di kantor saya di Melbourne. Saya mendapat telepon dari Sydney di mana pengukuran ini dilakukan, setelah kami menanamkan atom fosfor. Mereka mengatakan itu berfungsi. Setelah bertahun-tahun bekerja, akhirnya kami memiliki perangkat yang menampilkan atribut kuantum yang telah kami cari dengan penuh semangat.
Jadi saya katakan, jangan sentuh apa pun, jangan sentuh apa pun. Saya datang sekarang. Saya pergi ke bandara. Saya mendapat penerbangan berikutnya yang tersedia. Anda tahu berapa biaya Qantas jika Anda pergi ke bandara dan katakan menempatkan saya pada penerbangan berikutnya ke Sydney itu. Biaya itu terlalu tinggi tetapi saya berada di lab beberapa jam kemudian, dan saya melihat dengan mata kepala sendiri sesuatu yang telah saya ajarkan selama dua dekade benar-benar terjadi di laboratorium. Kita dapat melihat orientasi dari spin elektron, Kita dapat melihat orientasi dari spin nukleus, kita dapat melihat bahwa alam adalah digital pada tingkat dasar.
Jadi ini adalah inti dari perangkat kita, kisi kristal silikon yang terdiri dari atom silikon. Salah satunya kita ganti dengan atom fosfor menggunakan implantasi besi. Sekarang silikon tidak sempurna ada isotop langka yang terjadi secara alami yang disebut silikon 29. Sekitar 5% dari silikon alami memiliki nukleus yang agak aneh, memiliki tambahan neutron. Bahwa tambahan neutron baru menganugerahkan putaran pada nukleus. Sedangkan yang Isotop silikon lainnya tidak memiliki putaran dalam nukleus, karena semua nukleon berpasangan dengan indah.
Sehingga seperti memiliki magnet batang kecil di dalam chip, yang berinteraksi dengan atom fosfor dan menghancurkan koherensi kuantum. Jadi langkah pertama adalah menghapus silikon 29 dan menggantinya dengan silikon 28, isotop dengan spin nol. Ini seperti ruang hampa tanpa terjadi apa-apa, kecuali apa yang telah kami rekayasa dengan atom fosfor kami. Ini merupakan hal terbaik untuk mendapatkan sifat hampa yang nyata dengan menerapkan mekanika kuantum.
Kita kemudian menggunakan pulsa frekuensi radio untuk membalik orientasi putaran dari keadaan 0 ke keadaan 1, atau memang untuk menempatkannya dalam superposisi kuantum yang berputar ke atas dan ke bawah pada saat yang sama. Seperti inilah tampilan perangkat ini. Saya kira sekitar satu juta kali ukuran sebenarnya. Pada layar di ruang kuliah, tepat di tengah adalah area kecil tempat kami menanam sejumlah atom fosfor dan kemudian kami menggunakan gerbang kontrol ini untuk menyetel salah satunya. Di situlah kami melakukan eksperimen Kuantum
Seperti dalam gambar, satu elektron dibawa menyeberang ke atom fosfor. Kemudian kita melakukan pulsa frekuensi radio untuk memasukkannya ke dalam superposisi kuantum ini. Semua perangkat ini berada pada 100 miliKelvin, atau 0.1 Kelvin. Kondisi itu memang harus sangat dingin. Kemudian dengan mengendalikan posisi elektron, kami memindahkannya kembali ke transistor elektron tunggal. Di sana ada aliran arus listrik, dan itu terhubung ke osiloskop. Sehingga kami dapat melihat keadaan kuantum dari elektron kami dan kemudian kami menginisialisasi ulang perangkat dan mulai dari awal lagi. Inilah bit quantum yang cukup menyeramkan di perangkat kita.
Einstein pada tahun 1916 berkata bayangkan Anda memiliki objek quantum yang dapat berada dalam dua keadaan energi, keadaan energi rendah dan keadaan energi tinggi. Memang itulah yang terjadi ketika meletakkan spin di dalam medan magnet. Itu seperti menyatukan dua magnet batang ketika kutub utara dan selatan bersatu, mereka menempel dengan indah. Tetapi jika Anda mencoba mendorong dua kutub utara bersama-sama, itu tidak berhasil. Itu dalam keadaan energi yang lebih tinggi. Magnet akan secara spontan membalik.
Sekarang dalam spin yang mana yang ke atas, keadaan energi rendah, atau ke bawah, keadaan energi tinggi. Anda dapat membalikkan spin dengan memukulnya dengan foton. Aada banyak foton yang menuju ke sini, tetapi ini adalah foton gelombang mikro. Sekarang kata Einstein, jika Anda berada dalam keadaan energi tinggi, setelahnya keadaan energi rendah menyerap foton dan pergi ke keadaan energi tinggi, foton lain dari energi yang sama akan menyebabkannya meluruh kembali ke keadaan dasar.
Sehingga sementara foton menyala, mereka berdua mengangkat spin ke keadaan energi tinggi, dan menginduksinya untuk meluruh kembali ke keadaan dasar. Sehingga ketika Anda mematikan foton, spin itu berada dalam keadaan superposisi kuantum, memiliki sebagian spin ke atas, dan sebagian spin ke bawah. Karena saya telah memberi kuliah kepada sarjana, saya harus memberi tahu Anda bahwa ini adalah perangkat quantum yang menyeramkan, maaf tentang itu.
Kemudian ketika Anda membacanya, Anda men-dekoheren spin dari kondisi superposisi tersebut, detektor mendeteksi ping (sinyal) sebagai spin ke bawah untuk energi tinggi, atau sebagai spin ke atas untuk energi rendah. Anda mengulanginya berulang kali dengan interval waktu yang meningkat setelah Anda meng-ON-OFF-kan foton. Jika ini adalah partikel klasik 50% dari waktu selama pengukuran, Anda akan menemukan spin dalam keadaan energi tinggi, dan 50 % dari waktu yang lain, Anda akan menemukan spin dalam keadaan energi rendah. Itu adalah data acak.
Memang Galileo dan Newton akan memprediksi ini. Hasil yang akan Anda dapatkan untuk percobaan ini. Ketika kami melakukan percobaan, karena spin ini adalah entitas kuantum, kami menemukan bahwa ini bukan probabilitas 50% ke atas dan 50% ke bawah, spin ini benar-benar berosilasi antara konfigurasi atas dan bawah, karena sifat alam dari kuantum, spin bersifat seperti gelombang (the wave-like). Semakin lama osilasi itu berlangsung, semakin banyak perhitungan quantum yang dapat Anda lakukan.
Ketika berada dalam keadaan superposisi kuantum, kami menemukan bahwa inti atom dapat bertahan selama lebih dari 30 detik dalam superposisi naik dan turun, karena durasi osilasi ini. 30 detik adalah keabadian untuk keadaan quantum. Jadi kami sangat senang mendapatkan keadaan quantum yang diharapkan ini. Jadi ini adalah perangkat kami, kami menghapus silicon 29, kami menanamkan beberapa atom fosfor, yang kami atur di hanya satu kali, dan kami melakukan semua eksperimen ini, tetapi ini tidak cukup baik untuk perangkat skala besar
Sebagai penutup, izinkan saya menjelaskan bagaimana kami akan mengambil hasil yang kami peroleh hanya pada atom fosfor tunggal kami, dan mengambil datanya ke puluhan atau bahkan ratusan kali. Ini adalah kisi silikon. Kami menanamkan atom fosfor ke dalamnya menggunakan teknik standar industri semikonduktor, mungkin ada 15 atau 20 langkah implantasi Besi berbeda yang telah dilakukan untuk membuat chip Silikon di sini. Kemudian kami memanaskan Kristal dan kami mendorong atom fosfor yang ditanamkan ke situs kisi kristal, tetapi cara yang dilakukan di industri itu seperti tetesan hujan di jendela. Tetesan hujan jatuh secara acak di jendela ini tidak cukup baik untuk membuat perangkat skala besar. Kita harus membuat susunan atom itu lebih teratur.
Jadi yang ingin kami lakukan adalah membuat deterministik non-stokastik. Kami ingin menempatkan atom dalam susunan teratur membentuk array. Sehingga atom-atom itu dapat digabungkan ke permukaan kontrol dari elektroda, dan kami dapat melakukan perhitungan kuantum skala besar, dan lebih baik tidak memakan waktu terlalu lama. Kami telah merekayasa ulang mikroskop atom yang memiliki presisi untuk melokalisasi implan menggunakan aperture nano kecil ini.
Sehingga sinar besi menghujani penopang, ada ujung kecil mikroskop atom dan setiap kali satu atom fosfor melewati aperture nano dan implan kami mendengar bunyi "ping". Jadi inilah suara atom fosfor tunggal yang ditanamkan ke dalam chip silikon. Mirip hujan di atap seng, dan setiap kali kami mendengar salah satu dari "ping" itu, kami memindahkan kantilever ke lokasi baru, dan menunggu "ping" yang lain terdengar.
Soundtrack dari suara "ping" ini ditampilkan di suara sains dari komisi penyiaran Australia (the Australian Broadcasting Commission's Sounds of Science). Jika Anda mencarinya di Google, Anda bisa unduh dan gunakan sebagai nada dering, jika Anda mau. Jadi kami sekarang sedang dalam proses membangun perangkat skala besar menggunakan teknologi ini. Kami telah membangun perangkat tiga qubit hanya dengan keberuntungan. Kami menemukan dua atom fosfor yang cukup dekat bersama-sama. Kita dapat memasangkannya.
Perangkat ini bekerja dengan baik. Kami dapat mempertahankan keadaan quantum yang menyeramkan untuk waktu yang sangat lama. Dan kami membuat gerbang dengan ketelitian yang sangat tinggi, yang menetapkan sesuatu yang merupakan blok bangunan mesin skala besar. Ini sangat memuaskan, meskipun kami membuatnya hanya satu dari banyak perangkat yang kami buat berfungsi seperti ini. Karena kami hanya menanamkan atom secara acak. Tetapi sekarang kami akan mengatur perangkat kami, dan membangun perangkat skala besar atom fosfor tunggal dalam silikon ultra murni.i Jadi saya harap Anda akan terus mengikuti perkembangan lebih lanjut di bidang ini di tahun-tahun mendatang. Terima kasih banyak atas perhatian Anda.
Bagian 1: Komputasi Kuantum Di Abad Ke-21 (Revolusi Kuantum Pertama)
Bagian 2: Komputasi Kuantum Di Abad Ke-21 (Teori Kuantum Dan Efek Fotolistrik)
Bagian 3: Komputasi Kuantum Di Abad Ke-21 (Revolusi Kuantum Kedua)
Pemateri: Prof. David Jamieson
Judul Asli: Quantum computing in the 21st Century
Sumber: https://www.youtube.com/@TheRoyalInstitution
Komentar
Posting Komentar