Perangkat ini menggunakan dioda listrik sederhana untuk memanipulasi qubit di dalam wafer silikon komersial. Kredit: Second Bay Studios/Harvard SEAS
Dengan memanfaatkan perangkat semikonduktor tradisional, para peneliti telah membuka potensi baru dalam komunikasi kuantum, mendorong kita lebih dekat untuk mewujudkan potensi besar dari web kuantum.
Membangun web kuantum dapat disederhanakan secara signifikan dengan memanfaatkan teknologi dan infrastruktur telekomunikasi yang ada. Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah mengidentifikasi cacat pada silikon—materials semikonduktor yang banyak digunakan—yang berpotensi untuk mentransmisikan dan menyimpan informasi kuantum di seluruh panjang gelombang telekomunikasi yang umum. Cacat silikon ini mungkin saja menjadi pesaing utama untuk menampung qubit guna komunikasi kuantum yang efisien.
Menjelajahi Cacat Kuantum pada Silikon
“Di luar sana masih ada Wild West,” kata Evelyn Hu, Profesor Fisika Terapan dan Teknik Elektro Tarr-Coyne di Harvard John A. Paulson Faculty of Engineering and Utilized Sciences (SEAS). “Meskipun kandidat cacat baru adalah platform memori kuantum yang menjanjikan, seringkali hampir tidak ada yang diketahui tentang mengapa resep tertentu digunakan untuk membuatnya, dan bagaimana Anda dapat dengan cepat mengkarakterisasinya dan interaksinya, bahkan dalam ansambel. Dan pada akhirnya, bagaimana kita dapat menyempurnakan perilaku mereka sehingga menunjukkan karakteristik yang sama? Jika kita ingin membuat teknologi dari berbagai kemungkinan yang ada, kita harus mempunyai cara untuk mengkarakterisasi teknologi tersebut dengan lebih baik, lebih cepat, dan lebih efisien.”
Kini, Hu dan tim peneliti telah mengembangkan platform untuk menyelidiki, berinteraksi dengan, dan mengendalikan sistem kuantum yang berpotensi kuat ini. Perangkat tersebut menggunakan dioda listrik sederhana, salah satu komponen paling umum dalam chip semikonduktor, untuk memanipulasi qubit di dalam wafer silikon komersial. Dengan menggunakan perangkat ini, para peneliti dapat mengeksplorasi bagaimana cacat tersebut merespons perubahan medan listrik, menyetel panjang gelombangnya dalam pita telekomunikasi, dan bahkan menyalakan dan mematikannya.
“Jika kita ingin membuat suatu teknologi dari berbagai kemungkinan yang ada, kita harus mempunyai cara untuk mengkarakterisasi teknologi tersebut dengan lebih baik, lebih cepat, dan lebih efisien.”
— Evelyn Hu, Profesor Fisika Terapan dan Teknik Elektro Tarr-Coyne
Memanfaatkan Cacat untuk Komunikasi Kuantum
“Salah satu hal paling menarik tentang cacat pada silikon adalah Anda dapat menggunakan perangkat yang sudah dipahami dengan baik seperti dioda pada materials yang sudah dikenal ini untuk memahami sistem kuantum yang benar-benar baru dan melakukan sesuatu yang baru dengannya,” kata Aaron Day, Ph.D. D. kandidat di SEAS. Day ikut memimpin penelitian ini bersama Madison Sutula, seorang peneliti di Harvard.
Sementara tim peneliti menggunakan pendekatan ini untuk mengkarakterisasi cacat pada silikon, pendekatan ini dapat digunakan sebagai alat diagnostik dan kontrol untuk cacat pada sistem materials lainnya.
Penelitian ini dipublikasikan di Komunikasi Alam.
Aplikasi Pemancar Kuantum dan Jaringan
Cacat kuantum, juga dikenal sebagai pusat warna atau pemancar kuantum, adalah ketidaksempurnaan pada kisi kristal sempurna yang dapat memerangkap elektron tunggal. Ketika elektron tersebut terkena laser, mereka memancarkan foton dengan panjang gelombang tertentu. Cacat pada silikon yang paling diminati para peneliti untuk komunikasi kuantum dikenal sebagai G-center dan T-center. Ketika cacat ini memerangkap elektron, elektron memancarkan foton dalam panjang gelombang yang disebut pita-O, yang banyak digunakan dalam telekomunikasi.
Dalam penelitian ini, tim berfokus pada cacat G-center. Hal pertama yang perlu mereka cari tahu adalah bagaimana cara membuatnya. Tidak seperti jenis cacat lainnya, di mana atom dihilangkan dari kisi kristal, cacat pusat-G dibuat dengan menambahkan atom ke kisi, khususnya karbon. Namun Hu, Day dan anggota tim peneliti lainnya menemukan bahwa penambahan atom hidrogen juga penting untuk membentuk cacat secara konsisten.
Mengembangkan Alat untuk Jaringan Kuantum
Selanjutnya, para peneliti membuat dioda listrik menggunakan pendekatan baru yang secara optimum menempatkan cacat di tengah setiap perangkat tanpa menurunkan kinerja baik cacat maupun dioda. Metode fabrikasi dapat menghasilkan ratusan perangkat dengan cacat tertanam di seluruh wafer komersial. Dengan menghubungkan seluruh perangkat untuk memberikan tegangan, atau medan listrik, tim menemukan bahwa ketika tegangan negatif diterapkan pada perangkat, cacatnya akan mati dan menjadi gelap.
“Memahami kapan perubahan lingkungan menyebabkan hilangnya sinyal penting untuk merekayasa sistem yang stabil dalam aplikasi jaringan,” kata Day,
Para ilmuwan juga menemukan bahwa dengan menggunakan medan listrik lokal, mereka dapat menyetel panjang gelombang yang dipancarkan oleh cacat, yang penting untuk jaringan kuantum ketika sistem kuantum yang berbeda perlu diselaraskan.
Tim juga mengembangkan alat diagnostik untuk menggambarkan bagaimana jutaan cacat yang tertanam dalam perangkat berubah di ruang angkasa saat medan listrik diterapkan.
Arah Masa Depan dan Potensi Komersial
“Kami menemukan bahwa cara kami memodifikasi lingkungan listrik untuk cacat memiliki profil spasial, dan kami dapat membayangkannya secara langsung dengan melihat perubahan intensitas cahaya yang dipancarkan oleh cacat tersebut,” kata Day. “Dengan menggunakan begitu banyak pemancar dan mendapatkan statistik tentang kinerjanya, kami sekarang memiliki pemahaman yang baik tentang bagaimana cacat merespons perubahan di lingkungannya. Kami dapat menggunakan informasi tersebut untuk menginformasikan cara membangun lingkungan terbaik untuk cacat ini di perangkat masa depan. Kami memiliki pemahaman yang lebih baik tentang apa yang membuat cacat ini menyenangkan dan tidak menyenangkan.”
Selanjutnya, tim peneliti bertujuan menggunakan teknik yang sama untuk memahami cacat pusat-T pada silikon.
Referensi: “Manipulasi listrik pusat warna telekomunikasi dalam silikon” oleh Aaron M. Day, Madison Sutula, Jonathan R. Dietz, Alexander Raun, Denis D. Sukachev, Mihir Okay. Bhaskar dan Evelyn L. Hu, 3 Juni 2024, Komunikasi Alam.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41467-024-48968-w
Penelitian ini ditulis bersama oleh Sutula, Jonathan R. Dietz, Alexander Raun dari SEAS, dan ilmuwan riset AWS Denis D. Sukachev dan Mihir Okay. Bhaskar.
Pekerjaan ini didukung oleh AWS Heart for Quantum Networking dan Harvard Quantum Initiative. Kantor Pengembangan Teknologi Harvard telah melindungi kekayaan intelektual yang terkait dengan proyek ini dan sedang mengejar peluang komersialisasi.
