Saat ini, komputer kuantum terkenal sulit dan mahal untuk dioperasikan. Sebagian besar memerlukan suhu mendekati nol mutlak, sekitar -459 derajat Fahrenheit, untuk mempertahankan keadaan kuantum rapuh yang diperlukan untuk perhitungan dan komunikasi.
Kini, para peneliti di Universitas Stanford telah mengembangkan perangkat optik berskala nano yang beroperasi pada suhu kamar sekaligus menjembatani sifat kuantum cahaya dan elektron. Terobosan ini dapat membantu membuka jalan bagi teknologi kuantum yang lebih kecil dan lebih murah yang mampu mengirimkan informasi dalam jarak jauh.
Perangkat baru ini memungkinkan terjadinya keterikatan antara foton, partikel pembentuk cahaya, dan elektron. Koneksi kuantum ini dianggap sebagai persyaratan mendasar untuk sistem komunikasi kuantum di masa depan.
“Material yang dimaksud sebenarnya bukanlah hal baru, namun cara kita menggunakannya adalah hal yang baru,” kata Jennifer Dionne, profesor ilmu dan teknik material di Stanford dan penulis utama studi yang diterbitkan di Komunikasi alami. “Ini memberikan koneksi putaran yang sangat fleksibel dan stabil antara elektron dan foton, yang membentuk dasar teori komunikasi kuantum. Namun, sebagai suatu peraturan, elektron kehilangan putarannya terlalu cepat sehingga tidak dapat berguna.”
Cahaya memutar dan rotasi kuantum
Perangkat ini menggabungkan lapisan molibdenum diselenida (MoSe2) berpola tipis dengan substrat silikon berpola nano. Molibdenum diselenida termasuk dalam keluarga bahan yang disebut logam transisi dichalcogenides (TMDCs), yang dihargai karena sifat optik dan kuantumnya yang unik.
Menurut para peneliti, struktur nano silikon memainkan peran penting dalam menghasilkan apa yang mereka sebut “cahaya bengkok”.
“Struktur nano silikon memungkinkan apa yang kita sebut ‘cahaya bengkok’,” kata Feng Pan, peneliti pascadoktoral di laboratorium Dionne dan penulis pertama makalah tersebut. “Foton-foton tersebut berputar seperti pembuka botol, namun yang lebih penting, kita dapat menggunakan foton-foton yang berputar ini untuk memberikan putaran pada elektron-elektron yang merupakan inti dari komputasi kuantum.”
Dionne mencatat bahwa struktur berpola tersebut sangat kecil, kira-kira ukurannya sebanding dengan panjang gelombang cahaya tampak dan tidak mungkin dilihat dengan mata telanjang.
“Struktur nano yang berpola tidak terlihat oleh mata manusia, ukurannya sama dengan panjang gelombang cahaya tampak,” tambah Dionne. “Tetapi mereka membantu kita memanipulasi foton dengan sangat tepat untuk memutarnya – memelintirnya – ke arah tertentu, misalnya ke atas atau ke bawah.”
Jalur yang lebih sederhana menuju komunikasi kuantum
Para peneliti dapat menggunakan cahaya yang terpelintir ini untuk menjerat putaran elektron, menciptakan qubit, bahan penyusun sistem informasi kuantum.
Dalam komputasi konvensional, informasi diwakili oleh angka nol dan satu. Dalam teknologi kuantum, qubit memiliki tujuan serupa, namun dapat memanfaatkan efek mekanika kuantum untuk memproses dan mengirimkan informasi dengan cara yang benar-benar baru.
Salah satu tantangan terbesar yang dihadapi teknologi kuantum adalah mempertahankan keadaan kuantum yang stabil. Di banyak sistem yang ada, pendinginan ekstrem diperlukan untuk mencegah proses yang disebut dekoherensi, yang menyebabkan hilangnya informasi kuantum yang rumit.
Karena perangkat baru ini beroperasi pada suhu ruangan, perangkat ini menghindari salah satu rintangan utama yang membatasi meluasnya penggunaan teknologi kuantum. Para peneliti mengatakan desain kompak ini juga relatif murah dan praktis dibandingkan dengan banyak sistem kuantum saat ini.
Jika dikembangkan lebih lanjut, teknologi ini dapat berkontribusi terhadap kemajuan dalam komunikasi yang aman, penginderaan canggih, komputasi kinerja tinggi, kecerdasan buatan, dan aplikasi baru lainnya.
Mengapa materi itu penting
Tim memilih material TMDC karena karakteristik kuantumnya yang tidak biasa dan berkolaborasi dengan peneliti Stanford Fang Liu dan Tony Heinz, yang berspesialisasi dalam material ini.
“Semuanya bergantung pada material ini dan chip silikon kami,” kata Pan. “Bersama-sama, mereka secara efektif membatasi dan meningkatkan puntiran cahaya untuk menciptakan putaran yang kuat antara foton dan elektron. Hal ini menstabilkan keadaan kuantum yang memungkinkan komunikasi kuantum.”
Kombinasi ini memungkinkan cahaya dan materi berinteraksi lebih kuat, membantu melestarikan sifat kuantum yang diperlukan untuk tugas komunikasi dan komputasi.
Menuju jaringan kuantum masa depan
Para peneliti terus menyempurnakan perangkat dan mengeksplorasi material TMDC lainnya serta kombinasi material yang dapat memberikan kinerja lebih baik lagi. Mereka juga mempelajari apakah sistem ini dapat mengungkapkan kemampuan kuantum baru yang saat ini tidak mungkin dilakukan pada suhu kamar.
Tujuan jangka panjangnya adalah mengintegrasikan perangkat seperti ini ke dalam jaringan kuantum yang lebih besar. Untuk mencapai visi tersebut diperlukan peningkatan teknologi pendukung seperti sumber cahaya, modulator, detektor dan interkoneksi.
Pada akhirnya, para peneliti berharap komponen kuantum dapat dibuat lebih kecil untuk dimasukkan ke dalam perangkat elektronik sehari-hari. Meskipun masa depan ini masih jauh, penelitian ini mewakili sebuah langkah menuju teknologi kuantum yang lebih mudah diakses dan praktis.
“Jika kita bisa melakukan ini, mungkin suatu hari nanti kita bisa melakukan komputasi kuantum di ponsel,” kata Pan sambil tersenyum. “Tapi itu adalah rencana untuk jangka waktu lebih dari 10 tahun.”
