KUCING KUANTUM YANG BERTAHAN DI TEMPATNYA SELAMA BERMENIT-MENIT

Komputer kuantum baru akan berguna jika mampu mengoreksi galatnya sendiri. Itu membutuhkan banyak sekali perangkat keras — kecuali jika galatnya timpang. Jika satu jenis galat nyaris tidak pernah terjadi, kode koreksi hanya perlu melawan jenis yang lain, dan kode itu bisa jauh lebih sederhana.

Qubit kucing (cat qubits) memang dirancang agar timpang. Qubit ini menyimpan informasi dalam sebuah sirkuit superkonduktor yang menampung medan gelombang mikro, sebagai dua osilasi berlawanan dari medan itu. Mengubah 0 menjadi 1 — sebuah pembalikan bit (bit flip) — berarti melompat dari satu osilasi ke osilasi yang lain. Makin banyak foton di dalam medan, makin berjauhan kedua keadaan itu: pembalikan bit menjadi makin jarang secara eksponensial seiring jumlah foton, sementara galat yang lain, pembalikan fase (phase flip), hanya bertambah secara sebanding.

Dua lembah, satu titik lemah

Ada dua cara untuk menjaga seekor kucing tetap di tempatnya. Kucing “disipatif” terus-menerus didorong kembali ke kedua keadaannya oleh sebuah pasangan yang meredam (lossy); kucing jenis ini sudah bertahan lebih dari 100 detik. Kucing “Kerr” justru berdiam dalam sebuah lanskap energi dengan dua lembah yang dipisahkan oleh sebuah penghalang, yang tercipta dengan menggerakkan (drive) sebuah sirkuit nonlinear. Keunggulannya adalah kendali yang cepat. Kelemahannya: pembalikan bit setelah hanya beberapa milidetik — sebuah perbaikan baru-baru ini mencapai 3,6 ms, masih kurang lima orde besaran.

Penyebabnya adalah tidak adanya apa pun yang membuang energi liar. Derau mendorong kucing ke keadaan-keadaan tereksitasi di dalam lembahnya, dan dari sana, tergelincir ke lembah yang lain menjadi jauh lebih mudah. Lebih buruk lagi, pada penggerakan yang kuat, qubit biasanya memasuki resonansi dengan sirkuit pembacaannya, yang merusak perlindungan itu secara tajam.

Sirkuit pembacaan sebagai saluran pembuangan

Sergey Hazanov, Mikhail Svintsov, dan rekan-rekan di Weizmann Institute of Science di Israel membalikkan masalah ini. Interaksi nonlinear yang sama yang menggali kedua lembah itu juga menghubungkan eksitasi di dalam setiap lembah dengan resonator pembacaan, sebuah sirkuit yang terus-menerus membocorkan foton ke jalur pengukuran.

Ketika energi sebuah eksitasi sama dengan selisih antara penggerak dan resonator pembacaan — sebuah resonansi “autoparametrik” — eksitasi itu diserahkan sebagai foton pembacaan, yang kemudian lolos keluar. Nilai 0 atau 1 itu sendiri tidak tersentuh. Saluran pembuangan kedua muncul melalui filter yang terpasang di jalur keluaran.

Tim itu mengukurnya secara langsung: saat beresonansi, keadaan tereksitasi pertama mengosongkan diri secepat yang dimungkinkan oleh sirkuit pembacaan, dan keadaan-keadaan yang lebih tinggi terkuras secara berjenjang. Cip mereka — aluminium di atas silikon, didinginkan hingga 10 milikelvin — tidak memerlukan penggerak pendinginan tambahan maupun elemen sirkuit tambahan.

Tujuh orde besaran

Jauh dari resonansi, pembalikan bit masih terjadi dalam hitungan milidetik. Di dekatnya, perlindungannya melonjak:

519 milidetik pada resonansi pembacaan (22,4 foton);
15,4 detik di antara kedua resonansi (27,3 foton);
tidak ada peluruhan yang terukur pada keadaan yang tersimpan dalam jendela pengukuran 100 detik pada resonansi filter (33,8 foton), yang berarti waktu pembalikan bit lebih dari 100 detik.

Dengan menghitung pembalikan langka dalam rekaman panjang pembacaan berulang — 62 pembalikan dalam 15 jam — tim itu memperkirakan waktu pembalikan bit pada titik terakhir tersebut: 448 ± 57 detik, lebih dari lima orde besaran melampaui kucing Kerr sebelumnya.

Pembalikan bit yang menurun secara eksponensial seiring jumlah foton adalah prediksi khas bagi kucing Kerr, tetapi belum pernah teramati. Kali ini teramati: setiap foton tambahan mengalikan waktu pembalikan bit dengan 1,82 ± 0,06, dari 52 mikrodetik pada 7,4 foton hingga 448 detik pada 33,8, sekitar tujuh orde besaran, tanpa tanda-tanda akan mendatar.

Gerbang cepat, pembacaan lembut

Perlindungan tidak ada artinya jika qubit tidak bisa lagi digunakan. Sebuah rotasi dasar pada qubit yang telah didinginkan berlangsung 8 nanodetik, dan membiarkan penggerak rotasi itu tetap menyala sepanjang waktu tidak memperpendek waktu pembalikan bit (0,65 s dengan penggerak itu, 0,64 s tanpanya). Membaca qubit dalam 4 mikrodetik hanya menyebabkan pembalikan 5 kali dalam 10 juta pembacaan.

Galat yang lain

Harganya adalah pembalikan fase. Galat ini mengikuti batas yang diharapkan, yang ditentukan oleh hilangnya foton tunggal, sekitar T₁/(2n̄), dengan T₁ adalah masa hidup foton dalam sirkuit (sekitar 8 mikrodetik) dan n̄ adalah jumlah foton. Pada 24,2 foton, kucing itu bertahan 3,55 detik terhadap pembalikan bit tetapi hanya 113 nanodetik terhadap pembalikan fase: sebuah ketimpangan (bias) sekitar 30 juta banding satu.

Para penulis menunjukkan dua cara untuk mempersempit jarak itu. Masa hidup foton sebesar 55,7 mikrodetik sudah pernah ditunjukkan di tempat lain, sekitar tujuh kali lebih lama daripada di sini. Dan sirkuit yang lebih dingin akan menyisakan lebih sedikit eksitasi liar, sehingga mungkin memberikan perlindungan yang sama dengan lebih sedikit foton — dan karena itu, lebih sedikit pembalikan fase.