

Pemrogram komputer kuantum menulis kode untuk algoritma kuantum (© Microgen – stock.adobe.com)
KOTA QUEBEC, Quebec — Para ilmuwan telah menciptakan sistem baru yang dapat merevolusi cara kita memproses dan mengirimkan informasi dengan aman. Inovasi ini menggunakan partikel cahaya dengan cara baru untuk melakukan perhitungan kompleks dan memanipulasi informasi kuantum.
Pada intinya, penelitian ini memanfaatkan dunia mekanika kuantum yang aneh, di mana partikel dapat berada dalam berbagai keadaan sekaligus dan saling mempengaruhi secara instan dalam jarak yang sangat jauh. Meskipun ini mungkin terdengar seperti fiksi ilmiah, ini adalah dasar dari teknologi baru yang menjanjikan transformasi komputasi, komunikasi, dan keamanan data.
Tim peneliti, yang dipimpin oleh ilmuwan dari Kanada dan Jerman, telah membangun sistem menggunakan kabel serat optik biasa – jenis yang sama yang digunakan untuk internet berkecepatan tinggi – untuk menciptakan apa yang mereka sebut “kisi fotonik temporal sintetis.” Dalam istilah yang lebih sederhana, mereka telah menemukan cara untuk menggunakan gelombang cahaya yang merambat melalui loop kabel serat optik untuk menciptakan tempat bermain bagi informasi kuantum.
Bayangkan sebuah permainan hopscotch, namun alih-alih seorang anak melompati kotak di tanah, yang Anda lihat adalah partikel cahaya (foton) yang “melompat” melalui slot waktu yang berbeda saat mereka bergerak melalui loop serat optik. Dengan mengontrol bagaimana partikel-partikel cahaya ini terpecah dan bergabung kembali dalam loop, para ilmuwan dapat melakukan operasi kuantum yang kompleks.
Salah satu inovasi utama dalam penelitian ini adalah cara mereka menyandikan informasi. Alih-alih menggunakan bit kuantum fisik (qubit), yang terkenal sulit dipertahankan, mereka menggunakan waktu kedatangan partikel cahaya untuk mewakili keadaan kuantum yang berbeda. Pendekatan ini, yang disebut pengkodean time-bin, lebih tahan terhadap gangguan dan cocok dengan teknologi telekomunikasi yang ada.
“Tim kami telah menemukan cara menggunakan kisi fotonik sintetik untuk memproses informasi kuantum, berdasarkan perjalanan kuantum foton berdimensi tinggi yang terjerat dalam keadaan temporalnya,” kata rekan penulis utama Profesor Roberto Morandotti dari Institut nasional de la recherche scientifique di Quebec ( INRS), dalam sebuah pernyataan. “Sistem ini tidak memerlukan banyak sumber daya, karena terdiri dari perangkat fiber, yang kompatibel dengan infrastruktur telekomunikasi standar.”


Para peneliti mendemonstrasikan kemampuan sistem mereka dengan menciptakan dan memanipulasi pasangan foton yang terjerat – partikel cahaya yang terhubung sedemikian rupa sehingga keadaan satu foton langsung mempengaruhi yang lain, tidak peduli seberapa jauh jaraknya. Mereka menunjukkan bahwa mereka dapat membuat dan mengendalikan keadaan kuantum dua tingkat (seperti versi kuantum dari bit biner) dan empat tingkat, sehingga membuka kemungkinan untuk operasi kuantum yang lebih kompleks.
“Sistem kami sepenuhnya didasarkan pada perangkat serat optik yang digunakan di bidang telekomunikasi dan dapat dikombinasikan dengan infrastruktur telekomunikasi saat ini dan masa depan,” kata rekan penulis studi Dr. Stefania Sciara, juga dari INRS.
Terobosan ini dapat menghasilkan kemajuan di beberapa bidang:
- Komputasi Kuantum: Memungkinkan cara yang lebih efisien untuk memecahkan masalah kompleks yang berada di luar jangkauan superkomputer saat ini.
- Komunikasi Aman: Menciptakan metode enkripsi yang tidak dapat dipecahkan untuk mengirimkan informasi sensitif.
- Pengukuran Presisi: Meningkatkan kemampuan kita untuk mengukur perubahan yang sangat kecil dalam sistem fisik dengan aplikasi di bidang seperti pencitraan medis dan navigasi.
Meskipun masih ada tantangan yang harus diatasi, seperti mengurangi kehilangan sinyal dan meningkatkan kecepatan operasi, penelitian ini mewakili langkah signifikan dalam menjadikan teknologi kuantum lebih praktis dan mudah diakses. Dengan menggunakan komponen yang kompatibel dengan infrastruktur telekomunikasi yang ada, hal ini membawa kita lebih dekat ke masa depan di mana jaringan kuantum bisa menjadi hal yang lumrah seperti internet saat ini.
“Penemuan ini adalah bukti bahwa sistem kuantum berkinerja tinggi dapat diwujudkan dengan menggunakan perangkat, teknik, dan infrastruktur yang mudah dijangkau. Hal ini juga menunjukkan bahwa jaringan kuantum dapat digunakan untuk mengirimkan data pribadi dengan aman,” tambah Sciara.
Studi ini dipublikasikan di jurnal Fotonik Alam.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti membangun pengaturan dengan dua loop serat optik dengan panjang berbeda yang dihubungkan oleh coupler optik dinamis. Pulsa laser disuntikkan ke dalam loop yang lebih panjang dan dibagi menjadi dua pulsa yang bersirkulasi dalam dua loop tersebut. Saat pulsa bergerak melalui loop, pulsa tersebut tiba di coupler pada waktu yang berbeda, menciptakan serangkaian mode time-bin yang membentuk kisi sintetik satu dimensi.
Para peneliti kemudian menggunakan kisi temporal ini untuk menghasilkan dan memproses keadaan kuantum dalam bentuk pasangan foton yang terjerat dalam wadah waktu. Mereka melakukan ini dengan mengirimkan rangkaian pulsa melalui pandu gelombang kristal nonlinier untuk menghasilkan foton yang terjerat. Foton yang terjerat kemudian disuntikkan kembali ke sistem loop serat, di mana para peneliti dapat mengontrol evolusinya dan melakukan pengukuran interferensi kuantum.
Kunci dari pendekatan ini adalah kontrol dinamis atas kopling antara dua loop serat. Dengan secara aktif menyesuaikan rasio kopling, para peneliti dapat mengoptimalkan pola interferensi kuantum dan meningkatkan efisiensi deteksi dibandingkan dengan desain kopling tetap sebelumnya.
Hasil Utama
Para peneliti mendemonstrasikan kemampuan mereka untuk menghasilkan dan memanipulasi keadaan terjerat bin waktu dua tingkat (qubit) dan empat tingkat (qudit) menggunakan sistem ini. Untuk status qubit, mereka mampu mencapai visibilitas interferensi kuantum melebihi 96% tanpa memerlukan pasca-seleksi. Untuk negara bagian qudit berdimensi lebih tinggi, visibilitasnya mencapai lebih dari 89%.
Pengukuran interferensi kuantum visibilitas tinggi ini menunjukkan kontrol tepat para peneliti atas evolusi keadaan kuantum dalam kisi temporal sintetik. Tingkat kendali ini sangat penting untuk aplikasi dalam komputasi kuantum, komunikasi, dan metrologi.
Keterbatasan Studi
Keterbatasan utama dari pendekatan ini adalah hilangnya optik yang terakumulasi ketika foton bersirkulasi melalui loop serat. Setelah beberapa kali perjalanan pulang pergi, kerugian menjadi signifikan, sehingga membatasi jumlah maksimum time bin yang dapat dihasilkan dan dimanipulasi secara praktis. Peningkatan efisiensi komponen, seperti saklar optik dan coupler, diperlukan untuk menskalakan sistem ini ke dimensi yang lebih tinggi.
Diskusi & Kesimpulan
Karya ini menunjukkan bagaimana dimensi sintetik yang dibuat dalam domain waktu dapat dimanfaatkan untuk pemrosesan informasi kuantum. Penggunaan platform berbasis serat yang dapat dikonfigurasi ulang memberikan implementasi yang kompak dan stabil dibandingkan dengan pendekatan berbasis ruang bebas atau chip.
Para peneliti menyoroti beberapa potensi penerapan teknologi ini, termasuk estimasi fase kuantum, pengambilan sampel boson, dan eksplorasi fase topologi materi. Kemampuan untuk menghasilkan keadaan terjerat berdimensi tinggi dan mengontrol evolusinya secara tepat merupakan langkah signifikan menuju realisasi protokol informasi kuantum canggih ini.
Secara keseluruhan, penelitian ini menunjukkan bagaimana penggunaan derajat kebebasan temporal secara inovatif dapat memperluas perangkat untuk memanipulasi sistem kuantum, dengan implikasi terhadap berbagai teknologi kuantum.
Pendanaan & Pengungkapan
Penelitian ini didukung oleh pendanaan dari Deutsche Forschungsgemeinschaft, Kementerian Universitas dan Riset Italia, Masyarakat Jepang untuk Promosi Sains, dan Dewan Riset Ilmu Pengetahuan Alam dan Teknik Kanada, dan sumber-sumber lainnya. Para penulis menyatakan tidak ada kepentingan yang bersaing.