Ilmuwan Menemukan Cara untuk Mengecilkan Komponen Komputer Quantum hingga 1.000x

Para peneliti telah mengembangkan metode revolusioner untuk menghasilkan terjerat foton berpasangan menggunakan bahan yang jauh lebih tipis, sehingga mengurangi ukurannya secara drastis komputasi kuantum komponen.

Terobosan ini memungkinkan pengaturan teknologi kuantum yang lebih sederhana dan ringkas, sehingga berpotensi mengubah bidang ilmu iklim menjadi farmasi.

Terobosan dalam Komputasi Kuantum

Para peneliti telah membuat penemuan yang dapat membuat komputasi kuantum lebih kompak, berpotensi menyusutkan komponen-komponen penting sebanyak 1.000 kali lipat dan juga membutuhkan lebih sedikit peralatan.

Kelas komputer kuantum yang sedang dikembangkan sekarang bergantung pada partikel cahaya, atau foton, yang dibuat secara berpasangan atau “terjerat” dalam istilah fisika kuantum. Salah satu cara untuk menghasilkan foton-foton ini adalah dengan menyorotkan laser pada kristal setebal milimeter dan menggunakan peralatan optik untuk memastikan foton-foton tersebut terhubung. Kelemahan dari pendekatan ini adalah terlalu besar untuk diintegrasikan ke dalam chip komputer.

Kini, para ilmuwan di Nanyang Technological University, Singapura (NTU Singapura) telah menemukan cara untuk mengatasi masalah pendekatan ini dengan memproduksi pasangan foton yang terhubung menggunakan bahan yang jauh lebih tipis dengan ketebalan hanya 1,2 mikrometer, atau sekitar 80 kali lebih tipis dari sehelai rambut. Dan mereka melakukannya tanpa memerlukan peralatan optik tambahan untuk menjaga hubungan antara pasangan foton, sehingga membuat keseluruhan pengaturan menjadi lebih sederhana.

Metode Inovatif

“Metode baru kami untuk menciptakan pasangan foton yang terjerat membuka jalan untuk membuat sumber keterikatan optik kuantum jauh lebih kecil, yang akan sangat penting untuk aplikasi dalam informasi kuantum dan komputasi kuantum fotonik,” kata Prof Gao Weibo dari NTU yang memimpin para peneliti.

Dia menambahkan bahwa metode ini dapat memperkecil ukuran perangkat untuk aplikasi kuantum karena banyak dari perangkat tersebut saat ini memerlukan peralatan optik yang besar dan besar, yang sulit untuk diselaraskan, sebelum dapat berfungsi.

Revolusi Komputasi Kuantum

Komputer kuantum diharapkan merevolusi pendekatan terhadap banyak tantangan, mulai dari membantu kita memahami perubahan iklim dengan lebih baik hingga menemukan obat baru dengan lebih cepat melalui penyelesaian perhitungan yang rumit dan dengan cepat menemukan pola dalam kumpulan data yang besar. Misalnya, perhitungan yang membutuhkan waktu jutaan tahun bagi superkomputer saat ini untuk menyelesaikannya dapat dilakukan dalam hitungan menit oleh komputer kuantum.

Hal ini diperkirakan terjadi karena komputer kuantum melakukan banyak komputasi secara bersamaan dibandingkan melakukannya satu per satu seperti komputer standar.

Bit Kuantum Berbasis Foton

Komputer kuantum dapat melakukannya dengan melakukan penghitungan menggunakan saklar kecil yang disebut bit kuantum, atau qubit, yang dapat berada dalam posisi hidup dan mati secara bersamaan. Hal ini seperti melempar koin ke udara, dengan koin berputar dalam keadaan antara kepala dan ekor. Sebaliknya, komputer standar menggunakan saklar yang dapat dihidupkan atau dimatikan kapan saja, namun tidak keduanya.

Foton dapat digunakan sebagai qubit bagi komputer kuantum untuk melakukan perhitungan lebih cepat karena mereka dapat memiliki status hidup dan mati pada saat yang bersamaan. Namun berada dalam dua keadaan secara bersamaan hanya terjadi jika foton diproduksi berpasangan, dengan satu foton terhubung, atau terjerat, dengan foton lainnya. Kondisi penting untuk keterjeratan adalah bahwa foton berpasangan harus bergetar secara sinkron.

Salah satu keuntungan menggunakan foton sebagai qubit adalah foton dapat diproduksi dan dijerat pada suhu kamar. Mengandalkan foton bisa lebih mudah, lebih murah, dan praktis dibandingkan menggunakan partikel lain seperti elektron yang membutuhkan suhu sangat rendah mendekati dinginnya luar angkasa sebelum dapat digunakan untuk komputasi kuantum.

Mengatasi Keterbatasan Materi

Para peneliti telah mencoba menemukan bahan yang lebih tipis untuk menghasilkan pasangan foton yang terhubung sehingga dapat digunakan dalam chip komputer. Namun, salah satu tantangannya adalah ketika material menjadi lebih tipis, mereka menghasilkan foton dengan kecepatan yang jauh lebih rendah, sehingga tidak praktis untuk komputasi.

Kemajuan terbaru menunjukkan bahwa bahan kristal baru yang menjanjikan yang disebut niobium oksida diklorida, yang memiliki sifat optik dan elektronik yang unik, dapat menghasilkan pasangan foton secara efisien meskipun tipis. Namun pasangan foton ini tidak berguna untuk komputer kuantum karena tidak terjerat saat diproduksi.

Sebuah solusi ditemukan oleh para ilmuwan NTU yang dipimpin oleh Prof Gao, dari Fakultas Teknik Elektro & Elektronik Universitas dan Fakultas Ilmu Fisika & Matematika, bekerja sama dengan Prof Liu Zheng dari Fakultas Sains & Teknik Material.

Lompatan Kuantum yang Terinspirasi oleh Tradisi

Solusi Prof Gao terinspirasi oleh metode mapan untuk membuat pasangan foton terjerat dengan bahan kristal yang lebih tebal dan lebih besar, yang diterbitkan pada tahun 1999. Metode ini melibatkan penumpukan dua serpihan kristal tebal bersama-sama dan memposisikan butiran kristal dari setiap serpihan secara tegak lurus satu sama lain.

Namun, getaran foton yang dihasilkan secara berpasangan masih bisa tidak sinkron karena cara foton tersebut bergerak di dalam kristal tebal setelah tercipta. Oleh karena itu, peralatan optik tambahan diperlukan untuk menyinkronkan pasangan foton guna menjaga hubungan antar partikel cahaya.

Prof Gao berteori bahwa susunan dua kristal serupa dapat digunakan dengan dua serpihan kristal tipis niobium oksida diklorida, dengan ketebalan gabungan 1,2 mikrometer, untuk menghasilkan foton yang terhubung tanpa memerlukan instrumen optik tambahan.

Dia memperkirakan hal ini terjadi karena serpihan yang digunakan jauh lebih tipis dibandingkan kristal yang lebih besar dari penelitian sebelumnya. Hasilnya, pasangan foton yang dihasilkan menempuh jarak yang lebih kecil di dalam serpihan niobium oksida diklorida, sehingga partikel cahaya tetap sinkron satu sama lain. Eksperimen yang dilakukan tim NTU Singapura membuktikan firasatnya benar.

Masa Depan Komputasi Kuantum Ditingkatkan

Prof Sun Zhipei dari Universitas Aalto Finlandia, yang berspesialisasi dalam fotonik dan tidak terlibat dalam penelitian NTU, mengatakan bahwa foton yang terjerat seperti jam tersinkronisasi yang menunjukkan waktu yang sama tidak peduli seberapa jauh jaraknya dan dengan demikian memungkinkan komunikasi instan.

Dia menambahkan metode tim NTU untuk menghasilkan foton terjerat kuantum “merupakan kemajuan besar, yang berpotensi memungkinkan miniaturisasi dan integrasi teknologi kuantum”.

“Perkembangan ini memiliki potensi dalam memajukan komputasi kuantum dan komunikasi yang aman, karena memungkinkan sistem kuantum yang lebih kompak, terukur, dan efisien,” kata Prof Sun, salah satu peneliti utama di Pusat Keunggulan Teknologi Kuantum Dewan Penelitian Finlandia.

Tim NTU berencana untuk lebih mengoptimalkan desain pengaturan mereka untuk menghasilkan lebih banyak pasangan foton yang terhubung daripada yang mungkin dilakukan saat ini.

Beberapa idenya termasuk mengeksplorasi apakah memperkenalkan pola dan alur kecil pada permukaan serpihan niobium oksida diklorida dapat meningkatkan jumlah pasangan foton yang dihasilkan. Penelitian lainnya akan menguji apakah menumpuk serpihan niobium oksida diklorida dengan bahan lain dapat meningkatkan produksi foton.

Referensi: “Rekayasa Van der Waals untuk pembuatan foton yang terjerat kuantum” oleh Leevi Kallioniemi, Xiaodan Lyu, Ruihua He, Abdullah Rasmita, Ruihuan Duan, Zheng Liu dan Weibo Gao, 14 Oktober 2024, Fotonik Alam.
DOI: 10.1038/s41566-024-01545-5