October 19, 2021
Trik Sulap Klasik Dapat Mengaktifkan Komputasi Kuantum

Trik Sulap Klasik Dapat Mengaktifkan Komputasi Kuantum

Sebuah proyek baru akan menggunakan medan listrik di rongga akselerator untuk mencoba melayangkan partikel logam kecil, memungkinkannya menyimpan informasi kuantum.

Komputasi kuantum dapat memecahkan masalah yang sulit bagi sistem komputer tradisional. Ini mungkin tampak seperti sihir. Satu langkah menuju pencapaian komputasi kuantum bahkan menyerupai trik pesulap: levitasi. Sebuah proyek baru di Fasilitas Akselerator Nasional Thomas Jefferson milik Departemen Energi AS akan mencoba trik ini dengan melayangkan partikel mikroskopis dalam rongga frekuensi radio superkonduktor (SRF) untuk mengamati fenomena kuantum.

Biasanya di Jefferson Lab dan fasilitas akselerator partikel lainnya, rongga SRF memungkinkan studi tentang atomnukleus. Mereka melakukan ini dengan mempercepat partikel subatomik, seperti elektron. Proyek ini akan menggunakan jenis rongga yang sama untuk mengangkat partikel mikroskopis logam, berdiameter antara 1 dan 100 mikrometer, dengan medan listrik rongga.

“Tidak ada yang pernah dengan sengaja menangguhkan partikel dalam medan listrik dalam ruang hampa menggunakan rongga SRF,” kata Drew Weisenberger, penyelidik utama proyek ini, serta Chief Technology Officer dan kepala Detektor Radiasi dan Grup Pencitraan di Eksperimental Divisi Fisika Nuklir di Jefferson Lab.

Gambar Garis Rongga Akselerator

Ini adalah gambar garis rongga akselerator yang akan digunakan dalam proyek pembuktian prinsip yang bertujuan untuk melayangkan partikel logam kecil, memungkinkannya menyimpan informasi kuantum. Kredit: Jefferson Lab

Jika tim proyek dapat melayangkan sebuah partikel, mereka mungkin dapat memberikan keadaan kuantum padanya dengan mendinginkan partikel yang terperangkap ke tingkat energi serendah mungkin (karena saat itulah sifat kuantum terjadi).

“Menyimpan informasi kuantum pada nanopartikel melayang adalah tujuan utama kami, tetapi untuk saat ini, ini adalah bukti percobaan prinsip,” kata Pashupati Dhakal, peneliti utama lain pada proyek tersebut dan staf ilmuwan di Jefferson Lab di Accelerator Operations, Research and Divisi Pengembangan. “Kami ingin tahu apakah kami dapat menjebak dan melayangkan partikel di dalam rongga menggunakan medan listrik.”

Menjelajahi Kuantum dengan Rongga Akselerator

Ide untuk proyek ini datang dari pengamatan para ahli akselerator. Mereka pikir mereka telah secara tidak sengaja mengangkat nanopartikel logam yang tidak diinginkan dan langka, seperti niobium dan besi, di dalam rongga SRF selama operasi akselerator partikel. Mereka menduga bahwa levitasi yang tidak disengaja ini berdampak pada kinerja komponen rongga SRF.

Para peneliti sedang mencoba menggunakan teknik berusia beberapa dekade yang disebut “perangkap laser”, sebagai langkah menuju pemberian keadaan kuantum yang andal pada partikel yang tersuspensi dalam sinar laser. Namun, tim proyek Lab Jefferson berpikir bahwa rongga SRF dapat memberikan alat yang lebih baik bagi para peneliti tersebut.

“Medan listrik berpotensi melampaui kemampuan perangkap laser,” kata Weisenberger.

Karakteristik intrinsik rongga SRF akan mengatasi beberapa batasan perangkap laser. Partikel melayang di rongga SRF yang berada di bawah vakum dan didinginkan hingga suhu super dingin hanya akan berinteraksi dengan medan listrik rongga dan tidak kehilangan informasi ke luar, yang penting untuk mempertahankan keadaan kuantum.

“Seperti menyimpan informasi pada chip komputer, keadaan kuantum akan tetap dan tidak hilang,” kata Weisenberger. “Dan itu pada akhirnya dapat mengarah pada aplikasi dalam komputasi kuantum dan komunikasi kuantum.”

Proyek ini, berjudul “SRF Levitation and Trapping of Nanoparticles Experiment,” didanai oleh program Penelitian & Pengembangan yang Diarahkan Laboratorium, yang menyediakan sumber daya bagi personel Jefferson Lab untuk memberikan kontribusi yang cepat dan signifikan terhadap masalah sains dan teknologi kritis yang relevan dengan misi Jefferson. Lab dan DOE.

Pendekatan Multidisiplin

Proyek ini disusun dan diluncurkan oleh Rongli Geng pada Oktober 2021 sebelum ia beralih ke Laboratorium Nasional Oak Ridge. Sekarang telah bergeser ke tim yang lebih besar dan lebih multi-disiplin yang dipimpin oleh Weisenberger dan Dhakal, penyelidik utama saat ini.

Tim Weisenberger meneliti teknologi detektor untuk penelitian fisika nuklir, sedangkan pekerjaan Dhakal berfokus pada pengembangan rongga SRF untuk mempercepat elektron pada kecepatan tinggi. Weisenberger mengatakan bahwa pendekatan multidisiplin akan menyatukan keahlian mereka saat mereka bercabang bersama ke wilayah yang kurang dikenal dari proyek LDRD ini.

Kedua peneliti utama menyatakan bahwa proyek ini berjalan dengan baik, berkat ketekunan dan keahlian yang diberikan oleh setiap anggota tim. Anggota tim termasuk John Musson, Frank Marhauser, Haipeng Wang, Wenze Xi, Brian Kross dan Jack McKisson.

“Ini adalah langkah menarik di luar hal-hal yang biasa kami lakukan,” kata Weisenberger. “Program LDRD membebaskan ilmuwan dan insinyur Jefferson Lab pada pertanyaan penelitian yang tidak secara langsung terkait dengan apa yang sebenarnya kami pekerjakan, tetapi memanfaatkan semua keahlian yang kami bawa dan ini merupakan sumber daya yang bagus untuk dimanfaatkan. mencoba untuk meregangkan. Itulah yang kami lakukan dengan proyek ini, peregangan.”

Bangunan dan Pengujian

Sebelum menyerahkan proyek Weisenberger dan Dhakal, Geng dan rekan-rekannya telah menentukan parameter rongga dan medan listrik yang diperlukan dengan simulasi dan perhitungan.

“Kami memiliki segalanya di atas kertas tetapi kami harus membuatnya menjadi kenyataan,” kata Dhakal.

Tim saat ini sedang menyiapkan eksperimen di kehidupan nyata.

“Kita harus melihat apakah apa yang disimulasikan benar-benar dapat terjadi,” kata Weisenberger.

Pertama, mereka akan merakit mock-up percobaan pada suhu kamar. Kemudian, mereka akan mengedarkan helium cair di sekitar permukaan luar rongga untuk mendinginkannya hingga mendekati suhu superkonduktor nol mutlak.

Berikutnya adalah bagian yang paling sulit. Mereka harus mendapatkan partikel mikroskopis tunggal di wilayah rongga yang benar sementara rongga terkunci di dalam bejana penahanan pada suhu superkonduktor, di bawah vakum, dan dengan medan listrik menyala.

“Kami telah menemukan cara untuk meluncurkan partikel dari jarak jauh di dalam rongga dalam kondisi eksperimental, kami hanya perlu mengujinya sekarang,” kata Weisenberger. “Dalam dunia penelitian dan pengembangan, Anda sering kali tidak dapat melakukan apa yang Anda pikir dapat Anda lakukan. Kami mencoba dan menguji dan mengalami masalah, mencoba memecahkan masalah, dan terus berjalan.”

Ini adalah proyek selama satu tahun dengan kemungkinan pendanaan satu tahun lagi, tergantung bagaimana keadaannya. Ini juga merupakan tahap awal, bukti proyek prinsip. Jika pada akhirnya berhasil, masih akan ada jalan panjang R&D sebelum konsep tersebut dapat diterapkan untuk membangun komputer kuantum. Komputer seperti itu akan membutuhkan melayang dan memberikan status kuantum pada puluhan hingga ratusan hingga ribuan partikel yang jauh lebih kecil secara dapat diprediksi dan andal.

Namun, para peneliti menantikan penemuan yang mereka harap studi ini akan memungkinkan mengenai levitasi partikel mikroskopis dan pengamatan potensial dari keadaan kuantum.

“Saya optimistis,” kata Dhakal. “Bagaimanapun, kita akan menemukan sesuatu. Kegagalan adalah bagian dari R&D dan juga kesuksesan. Anda belajar dari keduanya. Pada dasarnya, apakah partikel itu melayang atau tidak, atau apakah kita dapat memberikan keadaan kuantum padanya atau tidak, itu adalah sesuatu yang belum pernah dilakukan sebelumnya. Ini sangat menantang dan mengasyikkan.”

Tim sudah memiliki makalah penelitian yang sedang dikerjakan untuk proyek ini, tetapi hanya waktu yang akan memberi tahu apakah mereka dapat mewujudkan sedikit keajaiban ini di laboratorium.