Dari Fiksi Ilmiah ke Realita: Tabung Vakum Dapat Merevolusi Jaringan Kuantum
Para peneliti menguraikan metode baru untuk membangun jaringan kuantum yang menjangkau seluruh negeri dengan menggunakan pemandu berkas vakum, di mana qubit dapat menempuh jarak ribuan mil di dalam tabung kecil yang tertutup rapat. Kredit: SciTechDaily.com
Pendekatan baru untuk jaringan kuantum melibatkan penggunaan tabung vakum tertutup dengan lensa yang diberi jarak untuk mengangkut knowledge kuantum melalui foton dalam jarak yang jauh. Metode ini, yang dikembangkan oleh para ilmuwan di Universitas Chicago dan kolaboratornya, bertujuan untuk memungkinkan komunikasi kuantum berkapasitas tinggi yang aman melintasi jarak yang jauh.
Komputer kuantum menawarkan cara-cara hebat untuk meningkatkan keamanan siber, komunikasi, dan pemrosesan knowledge, di antara bidang-bidang lainnya. Namun, untuk mewujudkan manfaat penuh ini, beberapa komputer kuantum perlu dihubungkan untuk membangun jaringan kuantum atau web kuantum. Para ilmuwan telah berjuang untuk menemukan metode praktis dalam membangun jaringan semacam itu, yang harus mengirimkan informasi kuantum dalam jarak yang jauh.
Untuk mewujudkan jaringan kuantum, para peneliti di Jiang Group di Sekolah Teknik Molekuler Pritzker Universitas Chicago telah mengusulkan pembangunan saluran kuantum panjang menggunakan tabung tertutup vakum dengan serangkaian lensa yang diberi jarak. Kredit: Jiang Group
Inovasi Komunikasi Kuantum
Kini, para peneliti di Pritzker Faculty of Molecular Engineering (PME) Universitas Chicago telah mengusulkan pendekatan baru — membangun saluran kuantum panjang menggunakan tabung vakum tertutup dengan serangkaian lensa yang diberi jarak. Pemandu berkas vakum ini, berdiameter sekitar 20 sentimeter, akan memiliki jangkauan ribuan kilometer dan kapasitas 10 triliun qubit per detik, lebih baik daripada pendekatan komunikasi kuantum yang ada saat ini. Foton cahaya yang mengodekan knowledge kuantum akan bergerak melalui tabung vakum dan tetap fokus berkat lensa.
“Kami yakin jaringan semacam ini layak dan memiliki banyak potensi,” kata Liang Jiang, profesor teknik molekuler dan penulis senior karya baru tersebut. “Jaringan ini tidak hanya dapat digunakan untuk komunikasi yang aman, tetapi juga untuk membangun jaringan terdistribusi. komputasi kuantum jaringan, teknologi penginderaan kuantum terdistribusi, jenis teleskop baru, dan jam tersinkronisasi.”
Jiang berkolaborasi dengan para ilmuwan di Universitas Stanford dan Institut Teknologi California dalam karya barunya, yang diterbitkan pada tanggal 9 Juli di Surat Ulasan Fisik.
Fakultas Teknik Molekuler Pritzker Universitas Chicago Prof. Liang Jiang meninjau jaringan kuantum yang diusulkan menggunakan pemandu berkas vakum, yang akan memiliki jangkauan ribuan kilometer dan kapasitas 10 triliun qubit per detik, lebih baik daripada pendekatan komunikasi kuantum yang ada. Kredit: Fakultas Teknik Molekuler Pritzker Universitas Chicago / John Zich
Properti Kuantum dan Transmisi Information
Sementara komputer klasik mengodekan knowledge dalam bit konvensional — direpresentasikan sebagai 0 atau 1 — komputer kuantum mengandalkan qubit, yang dapat menunjukkan fenomena kuantum. Fenomena ini mencakup superposisi — semacam kombinasi ambigu dari berbagai keadaan — serta keterikatan, yang memungkinkan dua partikel kuantum saling berkorelasi bahkan dalam jarak yang sangat jauh.
Properti ini memberi komputer kuantum kemampuan untuk menganalisis jenis knowledge baru dan menyimpan serta meneruskan informasi dengan cara baru yang aman. Menghubungkan beberapa komputer kuantum dapat membuatnya lebih canggih, karena kemampuan pemrosesan datanya dapat digabungkan. Namun, jaringan yang biasanya digunakan untuk menghubungkan komputer tidaklah supreme karena tidak dapat mempertahankan properti kuantum qubit.
“Anda tidak dapat mengirim standing kuantum melalui jaringan klasik,” jelas Jiang. “Anda mungkin mengirim sepotong knowledge secara klasik, komputer kuantum dapat memprosesnya, tetapi hasilnya kemudian dikirim kembali secara klasik lagi.”
Beberapa peneliti telah menguji cara menggunakan kabel serat optik dan satelit untuk mengirimkan foton optik, yang dapat bertindak sebagai qubit. Foton dapat menempuh jarak pendek melalui kabel serat optik yang ada tetapi umumnya kehilangan informasinya dengan cepat saat foton diserap. Foton yang dipantulkan ke satelit dan kembali ke tanah di lokasi baru diserap lebih sedikit karena ruang hampa, tetapi transmisinya dibatasi oleh penyerapan atmosfer dan ketersediaan satelit.
“Yang ingin kami lakukan adalah menggabungkan keunggulan masing-masing pendekatan sebelumnya,” kata mahasiswa pascasarjana PME Yuexun Huang, penulis pertama karya baru tersebut. “Dalam ruang hampa, Anda dapat mengirim banyak informasi tanpa redaman. Namun, akan lebih supreme jika dapat melakukannya di lapangan.”
“Kami yakin jaringan semacam ini layak dan memiliki banyak potensi.”
— Prof. Liang Jiang
Tabung Vakum Berbasis Darat dan Informasi Kuantum
Para ilmuwan yang bekerja di Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) milik California Institute of Expertise (Caltech) telah membangun tabung vakum besar berbasis darat untuk menampung foton cahaya bergerak yang dapat mendeteksi gelombang gravitasiPercobaan di Bahasa Indonesia: LIGO telah menunjukkan bahwa di dalam ruang hampa yang hampir bebas molekul, foton dapat menempuh jarak ribuan kilometer.
Terinspirasi oleh teknologi ini, Jiang, Huang, dan rekan-rekan mereka mulai membuat sketsa bagaimana tabung vakum yang lebih kecil dapat digunakan untuk mengangkut foton antar komputer kuantum. Dalam karya teoritis baru mereka, mereka menunjukkan bahwa tabung-tabung ini, jika dirancang dan disusun dengan benar, dapat membawa foton ke seluruh negeri. Selain itu, mereka hanya memerlukan vakum sedang (tekanan atmosfer 10^-4), yang jauh lebih mudah dipertahankan daripada vakum sangat tinggi (tekanan atmosfer 10^-11) yang diperlukan untuk LIGO.
“Tantangan utamanya adalah sebagai foton bergerak melalui ruang hampa, cahaya menyebar sedikit,” jelas Jiang. “Untuk mengatasi hal itu, kami mengusulkan untuk memasang lensa setiap beberapa kilometer yang dapat memfokuskan sinar pada jarak jauh tanpa kehilangan difraksi.”
Bekerja sama dengan para peneliti di Caltech, kelompok ini berencana melakukan eksperimen di atas meja untuk menguji kepraktisan ide tersebut, dan kemudian berencana menggunakan tabung vakum yang lebih besar seperti yang ada di LIGO untuk meneliti cara menyelaraskan lensa dan menstabilkan sinar foton dalam jarak yang jauh.
“Untuk menerapkan teknologi ini dalam skala yang lebih besar, tentu saja ada beberapa tantangan teknik sipil yang perlu kita pahami juga,” kata Jiang. “Namun manfaat utamanya adalah kita memiliki jaringan kuantum besar yang dapat mengomunikasikan puluhan terabyte knowledge per detik.”
Referensi: “Panduan Sinar Vakum untuk Jaringan Kuantum Skala Besar” oleh Yuexun Huang, Francisco Salces–Carcoba, Rana X. Adhikari, Amir H. Safavi-Naeini dan Liang Jiang, 9 Juli 2024, Surat Ulasan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.020801
Pendanaan: Pekerjaan ini didukung oleh Laboratorium Penelitian Angkatan Darat, Laboratorium Penelitian Angkatan Udara, Yayasan Sains Nasional, Penelitian NTT, Yayasan Packard, Program Penelitian Keluarga Marshall dan Arlene Bennett, dan Departemen Energi AS.
