'Kristal waktu' yang eksotis dapat digunakan sebagai memori di komputer kuantum, temuan penelitian yang menjanjikan
Kristal waktu dapat membantu menciptakan komputasi kuantum penyimpanan data yang hanya berlangsung beberapa menit, penelitian baru menunjukkan — peningkatan besar pada durasi penyimpanan data kuantum yang berdurasi milidetik.
Dalam penelitian baru tersebut, para ilmuwan menjalankan eksperimen tentang bagaimana kristal waktu berinteraksi dengan gelombang mekanik. Meskipun kristal waktu secara luas dianggap sangat rapuh, para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat memasangkan kristal waktu ke gelombang permukaan mekanis tanpa merusaknya.
“Bagi saya, ini adalah bagian yang paling menarik,” rekan penulis studi tersebut Jere Makinenseorang peneliti akademi di Universitas Aalto di Finlandia, mengatakan kepada Live Science. “Ini adalah bahwa Anda benar-benar dapat memasangkan kristal waktu secara signifikan ke sistem lain dan memanfaatkan kekuatan yang melekat pada kristal waktu.”
Para peneliti menggambarkan temuan mereka dalam sebuah penelitian yang diterbitkan 16 Oktober di jurnal tersebut Komunikasi Alam.
Membuat gelombang dalam penelitian kristal waktu
Struktur kristal tradisional memiliki susunan atom atau molekul yang teratur dalam ruang, tetapi kristal waktu kembali ke keadaan tertentu setelah periode waktu yang teratur. Hal ini tidak sama dengan pendulum, misalnya, yang frekuensi ayunannya hanya merefleksikan frekuensi gaya osilasi ke bawah seiring tarikan gravitasi yang bersaing dengan orientasi tegangan yang berubah. Dalam kasus kristal waktu, meskipun dalam praktiknya diperlukan tindakan awal, periodisitas diperoleh secara spontan, tanpa ada yang mendorongnya pada frekuensi tersebut.
Sejak mereka pertama kali diusulkan pada tahun 2012berbagai pengaturan yang berfungsi sebagai kristal waktu telah dilaporkan. Mäkinen dan kolaboratornya mendasarkan teori mereka pada partikel kuasi yang disebut magnon – gelombang kolektif dalam nilai properti kuantum yang dikenal sebagai spin. Mereka menciptakan magnon dalam “superfluid helium-3,” helium yang inti atomnya mempunyai dua proton dan hanya satu neutron sehingga putaran partikel di dalam inti tidak dapat dihilangkan.
Mereka mendinginkan helium 3 hingga suhu kriogenik sehingga dinamika atom menyebabkan mereka saling tarik menarik secara efektif, meskipun lemah, dan mereka terorganisasi kembali menjadi kuasipartikel yang dikenal sebagai pasangan Cooper. Sebagai pasangan Cooper, kuasipartikel ini dibatasi hanya pada satu keadaan kuantum yang tersedia, sehingga menghilangkan viskositas fluida.
Ternyata helium 3 superfluida yang mengalir ke sana kemari dengan gelombang permukaan mekanis memiliki efek menarik yang bermuara pada pengaruh permukaan terhadap putaran dan momentum sudut orbital pasangan Cooper, yang merupakan sifat yang digunakan untuk mengkarakterisasi superfluida. Untuk menggambarkan hal ini, pikirkan pengaruh dinding terhadap kemungkinan orbit bola yang diputar pada ujung tali: di ruang bebas, orbital bola dapat mengambil orientasi apa pun dalam tiga dimensi, tetapi jika didekatkan ke dinding, maka beberapa orbital ini tidak lagi memungkinkan.
Mäkinen dan kolaboratornya menyadari bahwa hal ini akan mempengaruhi periode kristal waktu magnon. Dalam percobaannya, mereka menemukan bahwa kristal waktu dapat bertahan dalam interaksi hingga beberapa menit. Hal ini menunjukkan bahwa ada kemungkinan untuk memasangkan data dari komputer kuantum ke kristal waktu melalui interaksi penyimpanan yang serupa.
Di komputer kuantum, masing-masing qubit dapat berada dalam superposisi dua keadaan biner sekaligus, yang secara teoritis merupakan dasar kekuatan pemrosesan yang lebih tinggi. Oleh karena itu, memori dalam komputer kuantum harus menyimpan data yang menjaga kualitas status qubit yang tidak terbatas ini.
Teknologi memori pada komputer kuantum saat ini biasanya menggunakan orientasi putaran untuk menyimpan data, namun keadaan putaran ini mudah terganggu oleh gangguan lingkungan seperti kebisingan termal. Gangguan ini mendorong mereka ke dalam satu atau beberapa keadaan yang mungkin terjadi, yang berarti sifat kuantum dari data yang disimpan hilang. Dengan demikian, putaran memori kuantum hanya berlangsung beberapa milidetik.
Sebaliknya, magnon yang diciptakan Mäkinen dan kolaboratornya hanya bertahan beberapa menit, bahkan dengan gangguan gelombang permukaan mekanis. Karena gelombang permukaan meninggalkan jejak pada frekuensi kristal waktu magnon, gelombang tersebut dapat digunakan untuk “menulis” data kuantum yang akan disimpan. Dengan memori kuantum yang lebih panjang, lebih banyak operasi pemrosesan kuantum dapat diterapkan pada data sebelum data memburuk, sehingga memungkinkan tugas yang lebih kompleks.
Analogi buku teks
Setelah melihat data eksperimen, tim juga menemukan beberapa kesamaan dengan optomekanik, di mana resonator cahaya dan mekanik berinteraksi. Contohnya adalah tumbukan foton yang hampir tidak terlihat ketika mengenai cermin yang dipasang pada pegas, sehingga pegas memperoleh atau kehilangan energi ketika foton memantul dari cermin.
Menggambar kesejajaran antara kristal waktu dan optomekanik dapat mengungkap teori dari bidang optomekanik yang sudah mapan yang dapat diterapkan pada kristal waktu yang terkena gelombang mekanis, sehingga memberikan permulaan dalam memahami interaksi ini.
“Optomekanik adalah tema umum di banyak bidang fisika, sehingga Anda dapat menggunakannya dalam berbagai sistem yang berbeda,” kata Mäkinen.
Nikolay Zheludev, seorang profesor fisika dan astronomi di Universitas Southampton yang juga mempelajari kristal waktu dan optomekanik tetapi tidak terlibat dalam penelitian tersebut, menggambarkan penelitian tersebut sebagai “menarik.” “Ini membuka arah penelitian dalam fisika sistem nonequilibrium dengan implikasi potensial untuk memajukan penginderaan kuantum dan kontrol kuantum,” katanya kepada Live Science melalui email.
Mäkinen mengatakan dia tertarik untuk mengeksplorasi berbagai jenis pengaturan untuk dipasangkan secara mekanis dengan kristal waktu, seperti dengan resonator elektromekanis fabrikasi nano, yang akan memiliki massa jauh lebih rendah daripada gelombang permukaan superfluida. “Ide yang jelas adalah untuk benar-benar mencapai batas kuantum dan melihat seberapa jauh kita bisa mendorongnya,” katanya.
