Dapatkah Helium Superfluid Membantu Membangun Komputer Kuantum yang Lebih Baik?

Komputasi kuantum memiliki masalah perangkat keras: interaksi yang sama yang memungkinkan peneliti mengendalikan informasi kuantum juga dapat mengganggu informasi tersebut. Fluktuasi listrik, cacat material, dan pertukaran energi yang tidak diinginkan dapat menimbulkan kesalahan sebelum sebuah perhitungan selesai. Membangun mesin yang berguna memerlukan keseimbangan antara mengakses keadaan kuantum yang rapuh dengan melindunginya dari lingkungan sekitarnya.

Sebuah makalah oleh Priya Sharma, Jens Koch, dan Eran Ginossar, yang dipublikasikan dalam npj Quantum Information, mengusulkan pendekatan yang tidak biasa: sebuah perangkat mikroskopik yang menyimpan informasi kuantum dalam gerakan helium-3 superfluid.¹ Alih-alih mengandalkan arus listrik sebagai mekanisme operasional utamanya, perangkat yang diusulkan menggabungkan aliran fluida netral dengan pelat mekanik yang fleksibel.

Daya tariknya adalah mengurangi paparan terhadap sumber kebisingan listrik tertentu. Tantangannya adalah bahwa potensi keuntungan ini datang dengan persyaratan pendinginan, fabrikasi, dan kontrol yang menuntut. Penelitian ini menetapkan jalur teoretis menuju qubit baru, sambil meninggalkan kinerja eksperimental dan skala praktis yang belum terpecahkan.

Cara Kerja Qubit Helium Superfluid

Helium-3 menjadi superfluid pada suhu yang sangat rendah, memungkinkan sebagian cairan mengalir tanpa hambatan viskositas biasa. Perilaku kolektifnya berbagi fitur penting dengan superkonduktivitas, termasuk versi efek Josephson, yang menghubungkan aliran melalui sambungan lemah dengan perbedaan fase kuantum di seberangnya.

Perangkat Quantum Osilator Helium Superfluid yang diusulkan, disingkat SHOQ, berisi sel kecil yang terhubung ke reservoir helium di sekitarnya melalui sebuah apertur nanoskal. Sebuah pelat elastis membentuk tutup sel. Saat helium bergerak melalui apertur, perubahan tekanan di dalam sel menggerakkan pelat tersebut.

Cairan dan pelat bersama-sama membentuk sebuah osilator. Di bawah kondisi yang tepat, energinya terkuantisasi, artinya ia menempati tingkat energi diskrit alih-alih energi sewenang-wenang. Dua tingkat tersebut dapat mewakili keadaan yang digunakan untuk mengkodekan sebuah bit kuantum.

Namun, tingkat diskrit saja tidak cukup. Jarak antar tingkatnya juga harus cukup berbeda sehingga peneliti dapat mengakses satu transisi tanpa secara tidak sengaja mengexcite transisi lain. Jarak yang tidak merata ini, yang disebut anarmonik, penting untuk membuat osilator berperilaku sebagai qubit yang dapat dikendalikan. Penulis menunjukkan bagaimana dimensi apertur, ukuran pelat, dan kekakuan mekanik dapat memberikan nonlinieritas yang diperlukan.

Mengapa Netralitas Muatan Penting untuk Komputasi Kuantum

Pada qubit superkonduktor, informasi kuantum dikodekan dalam perilaku rangkaian listrik. Proposal SHOQ justru menggunakan gerakan kolektif helium yang netral secara listrik. Penulis menyarankan bahwa kebisingan muatan dan fluks mungkin menjadi kurang bermasalah bagi arsitektur ini.

Perbedaan itu berpotensi berharga, namun tidak menjamin kebal terhadap kebisingan. Komponen mekanik, kebocoran energi melalui apertur, dan peralatan yang digunakan untuk mengoperasikan perangkat memperkenalkan cara lain bagi informasi untuk terdegradasi.

Pelajaran yang lebih luas adalah bahwa mengubah fisika qubit mengubah masalah rekayasa. Sebuah platform dapat mengurangi satu kerentanan sekaligus menciptakan hambatan yang berbeda. Perbandingan Securities.io tentang arsitektur perangkat keras kuantum memberikan konteks mengapa pendekatan yang bersaing memerlukan infrastruktur dan strategi manufaktur yang berbeda.

Netralitas muatan juga memerlukan interpretasi yang cermat. Proposal ini berkaitan dengan keadaan kolektif helium cair, bukan atom netral yang terperangkap secara individual. Keduanya melibatkan materi netral, namun mekanisme, suhu, dan persyaratan kontrolnya berbeda secara signifikan.

Apa yang Ditunjukkan oleh Perhitungan Qubit Helium

Para peneliti mengevaluasi enam contoh desain. Perhitungan mereka menunjukkan bahwa perangkat yang cocok dapat mempertahankan informasi kuantum cukup lama untuk mendukung operasi qubit, dengan asumsi mekanisme dissipasi yang dimodelkan secara memadai menggambarkan perangkat keras yang selesai.

Tabel di bawah ini membandingkan tiga desain langsung dari makalah tersebut. Perkiraan umur pakai mencerminkan dissipasi dari tunneling satu quasipartikel, yang diidentifikasi penulis sebagai mekanisme kehilangan suhu rendah dominan dalam analisis mereka.

Ini adalah perkiraan teoretis, bukan waktu koherensi yang diukur. Khususnya, perkiraan masa relaksasi energi tidak boleh dianggap sebagai demonstrasi eksperimental lengkap tentang berapa lama qubit mempertahankan informasi fase.

Penulis mengidentifikasi desain #5 sebagai yang sangat menjanjikan. Namun, masa hidup yang lebih lama saja tidak menentukan kegunaan. Kecepatan gerbang, kebocoran ke tingkat yang tidak diinginkan, inisialisasi, akurasi pengukuran, dan kopling antar perangkat semuanya memengaruhi seberapa banyak komputasi andal yang dapat dilakukan platform tersebut.

Pendinginan Ekstrem Adalah Pertukaran Teknik Sentral

Ketergantungan suhu sangat mencolok. Untuk desain #5, menurunkan suhu dari 0,4 menjadi 0,3 milikelvin meningkatkan masa hidup yang dihitung dari 0,64 menjadi 25,96 milidetik, kira-kira empat puluh kali lipat.

Suhu tersebut hanya 400 dan 300 mikrokelvin di atas nol mutlak. Makalah mencatat bahwa suhu sekitar 0,4 milikelvin telah dicapai dalam percobaan helium-3 sebelumnya. Hal itu mendukung kelayakan fisik, namun mengoperasikan perangkat kuantum yang terkontrol dalam kondisi tersebut tetap menjadi tugas yang menantang.

Ini menciptakan perbedaan yang berguna antara ukuran perangkat dan ukuran sistem. Sebuah qubit dengan pelat hanya beberapa mikrometer lebar tidak otomatis menghasilkan komputer yang kompak. Peralatan pendingin di sekitarnya, sambungan, pelindung, dan aparatus pengukuran dapat mendominasi instalasi.

Penilaian praktis oleh karena itu harus menanyakan berapa banyak operasi andal yang dapat diberikan sistem lengkap dengan beban pendinginan dan kompleksitas operasinya. Jika kebisingan listrik yang lebih rendah memerlukan pendinginan yang jauh lebih sulit, keuntungannya harus cukup besar untuk membenarkan infrastruktur tersebut.

Suhu juga memengaruhi inisialisasi. Untuk satu desain yang dievaluasi, makalah menghitung okupansi termal sebesar 10,3 % pada keadaan tereksitasi pertama pada 0,3 milikelvin. Oleh karena itu, sekadar mendinginkan perangkat tidak menjamin setiap operasi dimulai dalam keadaan yang diinginkan.

Mengendalikan Qubit Netral Masih Memerlukan Antarmuka

Suatu keadaan kuantum yang terlindungi berguna hanya jika peneliti dapat menyiapkan, memanipulasi, dan mengukurnya. Makalah menggambarkan pendekatan hibrida yang melibatkan perangkat SHOQ, qubit transmon superkonduktor, dan sebuah resonator gelombang mikro.

Gerakan pelat mekanik akan mengubah kapasitansi listrik, memungkinkan osilator helium berinteraksi dengan sirkuit superkonduktor. Sirkuit tersebut dapat membantu menerjemahkan antara gerakan fluida netral dan kontrol serta pengukuran elektronik konvensional.

Pengaturan ini mengungkap pertukaran kedua. Mekanisme pusat yang membawa informasi mungkin menghindari beberapa kerentanan listrik, sementara antarmuka kontrolnya menghubungkannya kembali ke perangkat keras listrik. Kinerja sistem gabungan harus diukur, bukan disimpulkan semata-mata dari osilator helium yang terisolasi.

Makalah meninggalkan arsitektur gerbang terperinci dan operasinya untuk pekerjaan di masa mendatang. Tonggak eksperimen penting meliputi:

• Menyelesaikan tingkat energi yang diprediksi dan jarak tidak meratanya.
• Mendemonstrasikan persiapan, kontrol, dan pengukuran keadaan yang andal.
• Mengukur relaksasi dan koherensi fase pada perangkat yang diproduksi.
• Menghubungkan beberapa perangkat sambil mempertahankan kinerja yang berguna.

Fabrikasi Kuantum Menawarkan Koneksi Investasi

Persyaratan ini menghubungkan penelitian dengan tantangan industri yang ada: memproduksi perangkat kuantum yang halus secara konsisten. Sebuah apertur nanoskal atau membran elastis harus berperilaku dapat diprediksi setelah fabrikasi, perakitan, dan pendinginan. Variasi antar komponen yang secara nominal identik dapat mempersulit kontrol dan menurunkan hasil produksi.

Bagi investor yang tertarik pada teknologi yang memungkinkan ini, Oxford Instruments menyediakan perusahaan publik yang relevan untuk diteliti. Peralatan pemrosesan plasma mereka mendukung etsa dan deposisi yang presisi, termasuk alat yang sudah dibeli untuk fabrikasi perangkat kuantum.

Pada Mei 2026, Oxford Instruments mengumumkan bahwa Rigetti Computing (RGTI ) telah membeli sistem PlasmaPro 100 Cobra mereka untuk etakan lapisan atomik untuk perangkat kuantum. Pengumuman tersebut menggambarkan proses berkerusakan rendah yang dimaksudkan untuk mendukung kemampuan fabrikasi Rigetti yang diperluas.

Secara terpisah, pengumuman pada bulan Mei merinci sebuah kemitraan fabrikasi skala atom dengan NYU Nanofab. Bersama-sama, perkembangan ini menggambarkan permintaan akan alat manufaktur di seluruh riset dan pengembangan kuantum.

Ini merupakan koneksi investasi tidak langsung. Makalah helium tidak mengidentifikasi Oxford Instruments sebagai peserta atau memastikan bahwa peralatannya akan memproduksi perangkat SHOQ. Hasil tahunan penuh 2026 perusahaan juga mengonfirmasi penjualan bisnis NanoScience-nya, menjadikan fabrikasi fokus yang tepat daripada portofolio kriogenik sebelumnya.

Dari Proposal Qubit ke Perangkat Keras Kuantum yang Berguna

Konsep helium berada pada tahap awal pengembangan. Perhitungannya harus menjadi pengukuran yang dapat direproduksi sebelum perbandingan dengan platform yang sudah mapan memiliki bobot yang signifikan.

Sementara itu, arsitektur lain sedang maju menuju instalasi pelanggan, seperti yang ditunjukkan oleh akuisisi komputer kuantum oleh Florida International University yang diumumkan. Perbedaan kematangan itu penting saat mengevaluasi signifikansi komersial dari proposal baru.

Nilai penelitian ini terletak pada alternatif yang dibukanya: informasi kuantum yang dikodekan dalam sistem materi terkondensasi netral muatan. Keberhasilan akhirnya akan bergantung pada apakah keunggulan fisik tersebut dapat bertahan melalui persyaratan pendinginan, fabrikasi, dan kontrol dari sebuah mesin lengkap. Membuktikan keseimbangan itu akan lebih berdampak daripada sekadar perkiraan umur yang mengesankan.

Referensi:

¹ Sharma, P., Koch, J., & Ginossar, E. (2026). Towards a micromechanical qubit based on quantized oscillations in superfluid helium. npj Quantum Information. Publikasi daring lanjutan. https://doi.org/10.1038/s41534-026-01355-3