Terobosan dalam Komunikasi Kuantum

Para insinyur di Caltech telah mencapai pencapaian luar biasa dalam jaringan kuantum dengan berhasil menghubungkan dua node kuantum, masing-masing berisi beberapa qubit. Kemajuan ini secara drastis meningkatkan kecepatan transmisi data dan menjadi dasar bagi jaringan kuantum berskala besar di masa depan.

Membangun Dasar bagi Jaringan Kuantum Masa Depan

Para peneliti di Caltech telah mengembangkan metode komunikasi kuantum revolusioner yang secara signifikan meningkatkan efisiensi. Dengan menerapkan entanglement multiplexing, mereka memungkinkan beberapa saluran data untuk mengirim informasi kuantum secara bersamaan. Teknik ini melibatkan atom ytterbium yang tertanam dalam kristal dan dikaitkan dengan rongga optik, yang secara efektif menangkap dan membimbing cahaya. Inovasi ini memungkinkan beberapa qubit untuk mengirim fotons yang membawa informasi kuantum secara paralel.

Demonstrasi Pertama Entanglement Multiplexing

Menurut Andrei Faraon, William L. Valentine Professor of Applied Physics and Electrical Engineering di Caltech, ini adalah demonstrasi pertama entanglement multiplexing dalam jaringan kuantum yang terdiri dari qubit spin individu. “Terobosan ini secara signifikan meningkatkan kecepatan komunikasi kuantum antar node, menandai lompatan besar dalam bidang ini,” kata Faraon.

Penelitian mereka diterbitkan di Nature pada 26 Februari 2025. Penulis utama termasuk Andrei Ruskuc, yang kini menjadi peneliti postdoktoral di Universitas Harvard, dan Chun-Ju Wu, seorang mahasiswa pascasarjana di Caltech.

Jaringan Kuantum: Internet Masa Depan

Seperti halnya internet saat ini menghubungkan komputer klasik, jaringan kuantum akan menghubungkan komputer kuantum di berbagai lokasi fisik.

Di ranah kuantum, di mana informasi disimpan dalam skala atom dan foton individu, hukum fisika klasik tidak lagi berlaku. Sebaliknya, mekanika kuantum mengatur perilaku mereka, memungkinkan aplikasi terobosan dalam kriptografi, komputasi, dan komunikasi aman.

Memahami Entanglement Kuantum

Di inti jaringan kuantum terdapat entanglement kuantum, fenomena di mana dua atau lebih partikel—seperti atom atau foton—menjadi terkait secara tak terpisahkan. Terlepas dari jaraknya, keadaan mereka tetap saling berhubungan.

Prinsip ini memungkinkan transfer informasi kuantum, di mana mengukur keadaan kuantum satu partikel secara instan memberikan informasi tentang partikel lainnya, menjadikan entanglement sebagai aspek fundamental komunikasi kuantum yang aman.

Mengatasi Hambatan dalam Komunikasi Kuantum

Salah satu tantangan utama dalam jaringan kuantum adalah proses persiapan qubit dan transmisi foton yang memakan waktu. Hambatan ini secara signifikan membatasi kecepatan komunikasi.

Menurut Andrei Ruskuc, entanglement multiplexing menghilangkan hambatan ini dengan memungkinkan banyak qubit diproses secara bersamaan. “Dengan menggunakan beberapa qubit per node, kita dapat menyiapkan qubit dan mentransmisikan foton secara bersamaan, meningkatkan laju entanglement secara proporsional terhadap jumlah qubit.”

Artikel Lainnya : Jendela Teknologi Tinggi

Pendekatan Baru dengan Atom Ytterbium

Tim Caltech membangun node kuantum mereka menggunakan struktur nano yang dibuat dari kristal yttrium orthovanadate (YVO4). Mereka menanamkan atom ytterbium (Yb3+, logam tanah jarang) dalam kristal ini dan merangsangnya dengan laser.

Setelah dirangsang, atom ytterbium memancarkan foton yang terjerat dengan atom induknya. Foton-foton ini kemudian dikirim ke lokasi pusat, di mana deteksinya memicu protokol pemrosesan kuantum, yang membentuk entanglement antara pasangan atom ytterbium di node yang berbeda.

Mengubah Tantangan Optik Menjadi Keunggulan

Setiap atom ytterbium dalam kristal YVO4 memiliki frekuensi optik yang sedikit berbeda, sebuah variasi yang sebelumnya dianggap sebagai hambatan dalam menciptakan keadaan qubit yang terjerat.

Namun, Ruskuc dan timnya mengembangkan protokol inovatif yang memanfaatkan variasi frekuensi ini alih-alih menganggapnya sebagai batasan. “Kami menciptakan teknik untuk menghasilkan keadaan terjerat bahkan ketika transisi optik atom berbeda, mengatasi tantangan utama dalam penskalaan jaringan kuantum.”

Quantum Feed-Forward Control: Pemrosesan Real-Time

Aspek penting dari keberhasilan tim ini adalah penerapan kontrol umpan-maju kuantum (quantum feed-forward control), teknik pemrosesan kuantum real-time.

Ketika foton tiba di detektor pusat, sistem memproses waktu kedatangannya dan mengeksekusi serangkaian gerbang logika kuantum yang disesuaikan dengan dua qubit yang terlibat. Seperti dijelaskan oleh Ruskuc, “Protokol kami menginterpretasikan deteksi foton dan menerapkan sirkuit kuantum, yang pada akhirnya menghasilkan keadaan terjerat yang stabil angkatoto2.”

Penskalaan: Masa Depan Jaringan Kuantum

Platform YVO4 tim Caltech dapat menampung banyak qubit. Dalam eksperimen mereka, setiap node berisi sekitar 20 qubit, tetapi menurut Chun-Ju Wu, jumlah ini dapat ditingkatkan sepuluh kali lipat atau lebih.

Profesor Faraon menambahkan, “Sifat unik ion tanah jarang, dikombinasikan dengan protokol yang telah kami demonstrasikan, membuka jalan bagi jaringan kuantum dengan ratusan qubit per node. Ini meletakkan dasar yang kuat untuk sistem komunikasi kuantum berkinerja tinggi.”

Jalan ke Depan: Jaringan Kuantum dalam Skala Besar

Dengan keberhasilan demonstrasi entanglement multiplexing, tim penelitian Caltech telah menetapkan panggung bagi jaringan kuantum berskala besar yang dapat merevolusi komunikasi aman, komputasi kuantum, dan transfer informasi.

Penelitian mereka mewakili langkah kunci menuju masa depan di mana jaringan kuantum berfungsi seperti internet saat ini—namun jauh lebih aman, efisien, dan kuat.