Qubit menggunakan 30 meter untuk mengonfirmasi kesalahan Einstein tentang kuantum – Ars Technica

Eksperimen baru menggunakan qubit superkonduktor untuk membuktikan bahwa mekanika kuantum melanggar apa yang disebut realisme lokal dengan membiarkan dua objek berperilaku sebagai satu sistem kuantum terlepas dari seberapa besar pemisahan mereka. Eksperimen ini bukan yang pertama menunjukkan bahwa realisme lokal bukanlah cara kerja alam semesta — ini bukan yang pertama melakukannya dengan qubit.

Tapi mereka yang pertama memisahkan qubit dengan jarak yang cukup untuk memastikan bahwa cahaya tidak cukup cepat untuk bergerak di antara mereka saat melakukan pengukuran. Ini dilakukan dengan mendinginkan kawat aluminium sepanjang 30 meter menjadi beberapa milikelvin. Karena qubit sangat mudah dikendalikan, percobaan memberikan presisi baru untuk jenis pengukuran ini. Dan menyiapkan perangkat keras mungkin penting untuk upaya komputasi kuantum di masa depan.

Menjadi nyata tentang realisme

Albert Einstein terkenal tidak nyaman dengan beberapa konsekuensi keterjeratan kuantum. Jika mekanika kuantum benar, maka sepasang objek terjerat akan berperilaku sebagai satu sistem kuantum terlepas dari jarak di antara keduanya. Mengubah keadaan satu harus segera mengubah keadaan kedua, karena perubahan tampaknya terjadi lebih cepat daripada kemungkinan perjalanan cahaya antara dua benda. Ini hampir pasti salah, bantah Einstein.

Selama bertahun-tahun, orang-orang telah mengusulkan versi berbeda dari apa yang disebut variabel tersembunyi—properti fisik yang dibagi di antara objek, memungkinkan perilaku seperti keterikatan sambil menyimpan informasi yang menentukan perilaku tersebut dilokalkan. Variabel tersembunyi mempertahankan apa yang disebut “realisme lokal” tetapi ternyata mereka tidak benar-benar menggambarkan realitas kita.

Fisikawan John Bell menunjukkan bahwa semua kerangka kerja untuk variabel lokal membatasi sejauh mana perilaku objek kuantum dapat dikaitkan. Tetapi mekanika kuantum mengharapkan korelasinya menjadi lebih tinggi. Dengan mengukur perilaku pasangan partikel terjerat, kita dapat menentukan apakah mereka melanggar persamaan Bell, dan dengan demikian membuktikan dengan jelas bahwa variabel tersembunyi tidak menjelaskan perilaku mereka.

Langkah awal menuju demonstrasi ini buruk untuk variabel tersembunyi tetapi memungkinkan untuk celah – meskipun ketidaksetaraan Bell dilanggar, masih bisa jadi informasi berjalan di antara objek kuantum dengan kecepatan cahaya. Namun selama beberapa dekade terakhir, celah tersebut secara bertahap ditutup dan Hadiah Nobel telah dibagikan.

Jadi mengapa kembali ke eksperimen? Sebagian karena qubit memberi kita banyak kendali atas sistem, memungkinkan kita menjalankan sejumlah besar eksperimen dengan cepat dan menyelidiki perilaku keterikatan ini. Dan sebagian karena menghadirkan tantangan teknis yang menarik. Qubit superkonduktor dikendalikan oleh radiasi gelombang mikro, dan keterjeratannya membutuhkan pemindahan beberapa foton gelombang mikro berenergi sangat rendah di antara keduanya. Dan untuk melakukannya tanpa kebisingan lingkungan yang merusak segalanya merupakan tantangan yang serius.

Aksi menakutkan pada jarak 30 meter

Melanggar ketidaksetaraan Bell adalah masalah yang relatif sederhana untuk berulang kali mengukur partikel terjerat dan menunjukkan bahwa keadaan mereka berkorelasi. Jika korelasi ini melebihi nilai kritis, maka kita tahu bahwa variabel tersembunyi tidak dapat menjelaskan perilaku ini. Dan qubit superkonduktor, yang disebut terjemahan, dibuat agar pengukurannya mudah, akurat, dan cepat. Jadi bagian ini sederhana.

Menghilangkan salah satu celah utama dalam pengukuran ini adalah hal-hal yang rumit. Anda perlu menunjukkan bahwa korelasi dalam pengukuran tidak dapat dimediasi oleh informasi yang berjalan dengan kecepatan cahaya. Karena pengukuran membutuhkan waktu yang sangat singkat untuk terjadi, ini berarti Anda harus memisahkan dua qubit dengan jarak yang cukup agar pengukuran dapat diselesaikan sebelum cahaya bergerak di antara keduanya. Berdasarkan berapa lama pengukuran berlangsung, tim peneliti di balik pekerjaan baru, yang bekerja di ETH Zürich, menghitung bahwa 30 meter sudah cukup.

Meskipun ini berada di ujung lorong di gedung lab yang berbeda, 30 meter cukup menantang karena proses keterikatan, yang melibatkan penggunaan foton gelombang mikro berenergi rendah, yang dapat dengan mudah hilang dalam lautan kebisingan lingkungan. Dalam istilah praktis, ini berarti bahwa apapun yang melekat pada foton ini harus tetap pada suhu milikelvin yang sama dengan qubit itu sendiri. Oleh karena itu, kawat aluminium sepanjang 30 meter yang berfungsi sebagai pandu gelombang gelombang mikro harus didinginkan hingga sepersekian derajat di atas nol mutlak.

Dalam praktiknya, ini berarti memberikan seluruh rakitan yang dibuat untuk menjaga agar akses kabel tetap dingin ke sistem pendingin helium cair yang berisi qubit di setiap ujungnya — dan membangun sistem pendingin terpisah di titik tengah tabung 30 meter. Sistem ini juga membutuhkan koneksi internal yang fleksibel dan dukungan eksternal karena semuanya berkontraksi secara eksponensial saat mendingin.

Namun, semuanya berhasil dengan mengagumkan. Karena kinerja qubit, peneliti dapat melakukan lebih dari satu juta percobaan individu hanya dalam 20 menit. Korelasi yang dihasilkan akhirnya berada di atas batas yang ditentukan oleh persamaan Bell dengan 22 standar deviasi yang mengejutkan. Dengan kata lain, nilai p hasilnya kurang dari 10^-108.

Hal-hal yang akan datang?

Dua faktor utama yang membatasi kinerja sistem adalah kesalahan dalam qubit dan hilangnya foton yang digunakan dalam belitannya. Para peneliti berpikir mereka dapat meningkatkan keduanya, berpotensi menjadikan qubit sebagai tes paling ketat untuk ketidaksetaraan Bell. Tetapi pekerjaan itu mungkin menjadi lebih penting karena bagaimana qubit terjerat.

Setiap orang yang bekerja dengan qubit superkonduktor mengatakan bahwa pada akhirnya kita perlu menggabungkan ribuan qubit ke dalam satu komputer kuantum. Sayangnya, masing-masing qubit ini membutuhkan banyak ruang pada chip, yang berarti sulit membuat chip dengan jumlah lebih dari beberapa ratus. Jadi pemain besar seperti Google dan IBM pada akhirnya berencana untuk menautkan banyak chip ke satu komputer (sesuatu yang sudah dilakukan startup Rigetti).

Namun, untuk puluhan ribu bit, kami pasti membutuhkan begitu banyak chip sehingga akan sulit untuk menyimpan semuanya dalam satu bit yang lebih dingin. Ini berarti bahwa kami pada akhirnya ingin memasukkan chip ke dalam sistem pendingin yang berbeda – persis seperti yang ditampilkan di sini. Jadi ini adalah demonstrasi penting bahwa kita sebenarnya dapat menghubungkan qubit di seluruh jenis sistem ini.

Alam, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05885-0 (tentang DOI).