

(ID 332107426 © Iurii Pozdnikov | Dreamstime.com)
CHICAGO — Bayangkan mencoba melayangkan gelembung sabun melewati badai pasir tanpa meletuskannya. Angka tersebut kira-kira setara dengan apa yang telah dicapai para peneliti Universitas Northwestern dalam dunia komunikasi kuantum; Namun, alih-alih seperti gelembung sabun, mereka melindungi partikel cahaya yang membawa informasi kuantum melalui arus lalu lintas internet konvensional.
Selama bertahun-tahun, para ahli percaya bahwa komunikasi kuantum memerlukan sistem jalan raya pribadinya sendiri, terpisah dari jalan raya lalu lintas internet klasik yang ramai. Kini, para ilmuwan telah membuktikan bahwa para ahli tersebut salah, dengan menunjukkan bahwa sinyal kuantum dan klasik dapat berbagi jalur serat optik yang sama tanpa bertabrakan satu sama lain, sebuah penemuan yang secara dramatis dapat mempercepat pengembangan jaringan kuantum.
'Tidak ada yang berpikir itu mungkin'
Pencapaian ini merupakan tonggak penting dalam menjadikan jaringan kuantum praktis dan hemat biaya – dan menantang asumsi lama tentang infrastruktur jaringan kuantum. Sebelum terobosan ini, banyak ahli percaya bahwa hidup berdampingan tidak mungkin terjadi – bahwa sinyal kuantum akan kewalahan oleh lalu lintas internet konvensional.
“Ini sangat menarik karena tidak ada yang mengira hal ini mungkin terjadi,” kata Prem Kumar, yang memimpin penelitian di Sekolah Teknik McCormick Northwestern, dalam sebuah pernyataan. “Pekerjaan kami menunjukkan jalan menuju jaringan kuantum dan klasik generasi berikutnya yang berbagi infrastruktur serat optik terpadu. Pada dasarnya, ini membuka pintu untuk mendorong komunikasi kuantum ke tingkat berikutnya.”
Anggap saja seperti mencoba mendengar bisikan saat konser rock diputar di ruangan yang sama. Sinyal kuantum sangat halus – hanya satu partikel cahaya (foton) yang membawa informasi – sedangkan sinyal internet klasik seperti musik yang diputar dengan volume penuh. Atau seperti yang dijelaskan Kumar: “Meskipun sinyal konvensional untuk komunikasi klasik biasanya terdiri dari jutaan partikel cahaya, informasi kuantum menggunakan foton tunggal.”
Tim Kumar di Pusat Komunikasi dan Komputasi Fotonik menemukan solusi cerdik: mereka mengidentifikasi “jalur” gelombang cahaya yang tidak terlalu padat dan memasang filter khusus untuk melindungi sinyal kuantum dari kebisingan lalu lintas internet biasa.
“Kami dengan cermat mempelajari bagaimana cahaya tersebar dan menempatkan foton kami pada titik yang memungkinkan mekanisme hamburan diminimalkan,” kata Kumar. “Kami menemukan bahwa kami dapat melakukan komunikasi kuantum tanpa gangguan dari saluran klasik yang ada secara bersamaan.”
Terobosan teleportasi kuantum
Tim peneliti mendemonstrasikan teleportasi kuantum, sebuah proses mendasar pada jaringan kuantum, melalui kabel serat optik sepanjang 30,2 kilometer (sekitar 19 mil) sekaligus mentransmisikan data internet konvensional dengan kecepatan 400 gigabit per detik. Teleportasi kuantum bekerja dengan memanfaatkan keterjeratan kuantum, di mana dua partikel saling terhubung terlepas dari jarak di antara keduanya. Alih-alih partikel yang bergerak secara fisik untuk menyampaikan informasi, partikel yang terjerat bertukar informasi dalam jarak yang jauh — tanpa membawanya secara fisik.
Penyiapannya melibatkan tiga pemain utama: Alice (pengirim), Bob (penerima), dan Charlie (perantara). Alice menyiapkan keadaan kuantum khusus yang ingin dia kirimkan ke Bob. Sementara itu, Bob menciptakan pasangan foton yang terjerat, menyimpan satu dan mengirimkan yang lainnya ke Charlie. Ketika Charlie melakukan pengukuran khusus yang melibatkan foton Alice dan foton terjerat Bob, hal ini menyebabkan sisa foton Bob langsung mengambil sifat keadaan asli Alice, oleh karena itu istilah “teleportasi”.
Tim ini mencapai hasil yang mengesankan, mempertahankan teleportasi kuantum berkualitas tinggi bahkan dengan sinyal klasik yang kira-kira 150 kali lebih kuat dari yang diperlukan untuk komunikasi 400 Gbps yang bebas kesalahan. Hal ini menunjukkan bahwa jaringan kuantum dan klasik berpotensi berbagi infrastruktur serat yang sama, sehingga secara signifikan mengurangi kompleksitas pembangunan jaringan kuantum.
Koeksistensi komunikasi
Penelitian tersebut dipublikasikan di jurnal Optikbisa menjadi signifikan bagi masa depan jaringan kuantum. Menurut makalah penelitian, aplikasi potensial mencakup kriptografi yang ditingkatkan kuantum, kemampuan penginderaan, dan komputasi kuantum jaringan. Infrastruktur jaringan kuantum yang dapat hidup berdampingan dengan lalu lintas internet klasik dapat membuat aplikasi ini lebih layak untuk diimplementasikan menggunakan infrastruktur serat optik yang ada. Namun, penelitian dan pengembangan yang cukup besar masih diperlukan untuk mewujudkan kemungkinan-kemungkinan ini.
“Banyak orang telah lama berasumsi bahwa tidak ada orang yang akan membangun infrastruktur khusus untuk mengirimkan partikel cahaya,” kata Kumar. “Jika kita memilih panjang gelombang dengan tepat, kita tidak perlu membangun infrastruktur baru. Komunikasi klasik dan komunikasi kuantum dapat hidup berdampingan.”
Tim tidak berhenti di sini. Langkah mereka selanjutnya termasuk memperluas eksperimen pada jarak yang lebih jauh dan mencoba mendemonstrasikan pertukaran keterjeratan menggunakan dua pasang foton yang terjerat, bukan satu. Mereka juga berencana untuk melampaui kondisi laboratorium untuk menguji pendekatan mereka pada kabel optik bawah tanah dunia nyata.
Meskipun penelitian ini mewakili langkah maju yang signifikan, kita masih perlu beberapa tahun lagi untuk mencapai internet kuantum yang lengkap. Namun, sama seperti internet klasik yang berevolusi dari koneksi sederhana antara beberapa komputer menjadi jaringan global yang kita miliki saat ini, jaringan kuantum juga mengikuti jalur yang sama. Demonstrasi koeksistensi kuantum-klasik ini mungkin diingat sebagai salah satu momen penting yang membantu mewujudkan internet kuantum menjadi kenyataan.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti membangun sistem optik canggih menggunakan peralatan khusus termasuk kabel serat optik, sumber laser, dan detektor foton ultra-sensitif. Pengaturannya memiliki tiga stasiun utama (Alice, Bob, dan Charlie) yang dihubungkan dengan kabel serat optik. Mereka menggunakan teknik yang disebut multiplexing pembagian panjang gelombang untuk memisahkan sinyal kuantum dan klasik, mirip dengan bagaimana stasiun radio yang berbeda dapat menyiarkan pada frekuensi yang berbeda tanpa saling mengganggu. Sinyal kuantum dihasilkan menggunakan kristal khusus yang menghasilkan pasangan foton terjerat, sedangkan sinyal klasik dihasilkan menggunakan peralatan telekomunikasi standar.
Hasil
Tim berhasil mendemonstrasikan teleportasi kuantum melalui serat sepanjang 30,2 km sekaligus mentransmisikan data klasik 400Gbps. Mereka mencapai fidelitas keadaan kuantum (ukuran seberapa baik informasi kuantum disimpan) sekitar 90%, jauh di atas batas klasik sebesar 67%. Sistem ini bekerja bahkan dengan sinyal klasik 150 kali lebih kuat dari yang dibutuhkan untuk pengoperasian normal, sehingga memberikan ruang yang signifikan untuk aplikasi praktis.
Keterbatasan
Sistem ini masih memerlukan peralatan yang sangat sensitif dan mahal, termasuk detektor superkonduktor yang harus didinginkan hingga suhu sangat rendah. Kecepatan data kuantum juga relatif rendah dibandingkan dengan komunikasi klasik. Jarak kerja sistem (30,2 km) masih relatif pendek dibandingkan jaringan serat optik klasik yang dapat menjangkau ribuan kilometer.
Diskusi dan Kesimpulan
Penelitian ini menunjukkan bahwa jaringan kuantum dan klasik dapat hidup berdampingan dalam infrastruktur fiber yang sama, sehingga berpotensi membuat jaringan kuantum lebih praktis untuk diterapkan. Teknik yang dikembangkan dapat diterapkan pada aplikasi jaringan kuantum lain selain teleportasi. Penelitian ini menunjukkan bahwa membangun internet kuantum mungkin dapat dilakukan dengan menggunakan infrastruktur serat optik yang sudah ada dibandingkan memerlukan jaringan yang benar-benar baru.
Pendanaan dan Pengungkapan
Pekerjaan ini didanai oleh Departemen Energi AS melalui subkontrak dari Fermi Research Alliance, LLC ke Northwestern University. Penelitian ini didukung oleh program Advanced Scientific Computing Research, Transparent Optical Quantum Networks for Distributed Science, DOE. Para penulis menyatakan tidak ada konflik kepentingan, dan data dari penelitian ini tersedia berdasarkan permintaan yang masuk akal.