Mengatasi Kendala Lama dalam Komputasi Kuantum: Ilmuwan Mengembangkan Perangkat 2D yang Efisien untuk Pendinginan Kuantum
Para peneliti EPFL telah menciptakan perangkat inovatif yang beroperasi secara efisien pada suhu milikelvin yang dibutuhkan untuk komputasi kuantum, yang berpotensi merevolusi sistem pendinginan untuk teknologi canggih. Perangkat 2D lab LANES terbuat dari grafena dan indium selenida. Kredit: Alain Herzog
Insinyur di EPFL telah mengembangkan perangkat yang mampu mengubah panas menjadi tegangan listrik secara efisien pada suhu yang bahkan lebih dingin daripada yang ditemukan di luar angkasa. Terobosan ini dapat memajukan teknologi secara signifikan komputasi kuantum teknologi dengan mengatasi kendala utama.
Untuk melakukan komputasi kuantum, bit kuantum (qubit) perlu didinginkan hingga suhu dalam kisaran milikelvin (mendekati -273 derajat Celsius) untuk mengurangi gerakan atom dan meminimalkan gangguan. Akan tetapi, perangkat elektronik yang digunakan untuk mengendalikan sirkuit kuantum ini menghasilkan panas, yang sulit dihilangkan pada suhu rendah. Akibatnya, sebagian besar teknologi saat ini harus memisahkan sirkuit kuantum dari komponen elektroniknya, yang mengakibatkan gangguan dan inefisiensi yang menghambat pengembangan sistem kuantum yang lebih besar di luar laboratorium.
Para peneliti di Laboratorium Elektronika dan Struktur Nanoskala (LANES) EPFL, yang dipimpin oleh Andras Kis, di Sekolah Teknik kini telah membuat perangkat yang tidak hanya beroperasi pada suhu yang sangat rendah, tetapi juga melakukannya dengan efisiensi yang sebanding dengan teknologi saat ini pada suhu ruangan.
“Kami adalah yang pertama menciptakan perangkat yang menyamai efisiensi konversi teknologi terkini, tetapi beroperasi pada medan magnet rendah dan suhu sangat rendah yang dibutuhkan untuk sistem kuantum. Pekerjaan ini benar-benar selangkah lebih maju,” kata mahasiswa PhD LANES Gabriele Pasquale.
Perangkat inovatif ini menggabungkan konduktivitas listrik yang sangat baik dari grafena dengan sifat semikonduktor indium selenida. Ketebalannya hanya beberapa atom, ia berperilaku seperti objek dua dimensi, dan kombinasi baru antara bahan dan struktur ini menghasilkan kinerja yang belum pernah terjadi sebelumnya. Pencapaian ini telah dipublikasikan di Nanoteknologi Alam.
Memanfaatkan efek Nernst
Perangkat ini memanfaatkan efek Nernst: fenomena termoelektrik kompleks yang menghasilkan tegangan listrik saat medan magnet diterapkan tegak lurus ke objek dengan suhu yang bervariasi. Sifat dua dimensi perangkat lab ini memungkinkan efisiensi mekanisme ini dikontrol secara elektrik.
Struktur 2D dibuat di Pusat EPFL untuk Teknologi MikroNano dan laboratorium LANES. Eksperimen melibatkan penggunaan laser sebagai sumber panas, dan lemari pendingin pengenceran khusus untuk mencapai 100 milikelvin – suhu yang bahkan lebih dingin daripada luar angkasa. Mengubah panas menjadi tegangan pada suhu rendah seperti itu biasanya sangat menantang, tetapi perangkat baru dan pemanfaatan efek Nernst memungkinkan hal ini, mengisi celah kritis dalam teknologi kuantum.
“Jika Anda membayangkan laptop computer di kantor yang dingin, laptop computer tersebut akan tetap memanas saat beroperasi, yang menyebabkan suhu ruangan juga meningkat. Dalam sistem komputasi kuantum, saat ini tidak ada mekanisme untuk mencegah panas ini mengganggu qubit. Perangkat kami dapat menyediakan pendinginan yang diperlukan ini,” kata Pasquale.
Pasquale, yang merupakan seorang fisikawan, menekankan bahwa penelitian ini penting karena mengungkap konversi daya termal pada suhu rendah – sebuah fenomena yang belum banyak dieksplorasi hingga saat ini. Mengingat efisiensi konversi yang tinggi dan penggunaan komponen elektronik yang berpotensi dapat diproduksi, tim LANES juga yakin bahwa perangkat mereka sudah dapat diintegrasikan ke dalam sirkuit kuantum suhu rendah yang ada.
“Temuan ini merupakan kemajuan besar dalam nanoteknologi dan menjanjikan pengembangan teknologi pendinginan canggih yang penting untuk komputasi kuantum pada suhu milikelvin,” kata Pasquale. “Kami yakin pencapaian ini dapat merevolusi sistem pendinginan untuk teknologi masa depan.”
Referensi: “Efek Nernst raksasa yang dapat disetel secara elektrik dalam heterostruktur van der Waals dua dimensi” oleh Gabriele Pasquale, Zhe Solar, Guilherme Migliato Marega, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi dan Andras Kis, 2 Juli 2024, Nanoteknologi Alam.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41565-024-01717-y
