Mendukung Internet Kuantum Masa Depan

Dengan memanfaatkan perangkat semikonduktor tradisional, para peneliti telah membuka potensi baru dalam komunikasi kuantum, mendekatkan kita pada realisasi potensi besar internet kuantum.

Membangun internet kuantum dapat disederhanakan secara signifikan dengan memanfaatkan teknologi dan infrastruktur telekomunikasi yang ada. Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah mengidentifikasi cacat pada silikon—bahan semikonduktor yang banyak digunakan—yang berpotensi mengirimkan dan menyimpan informasi kuantum pada panjang gelombang telekomunikasi umum. Cacat silikon ini mungkin menjadi pesaing utama untuk mengakomodasi qubit untuk 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 School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). “Meskipun kandidat cacat baru menjanjikan platform memori kuantum, seringkali hampir tidak ada yang diketahui tentang mengapa resep tertentu digunakan untuk membuatnya, dan bagaimana Anda dapat dengan cepat mengkarakterisasi resep tersebut dan interaksinya, bahkan dalam ansambel. Dan pada akhirnya, bagaimana kita dapat menyempurnakan perilaku mereka agar menunjukkan karakteristik yang sama? Jika kita ingin memanfaatkan 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, dan mengendalikan sistem kuantum yang berpotensi kuat ini. Perangkat ini menggunakan dioda listrik sederhana, salah satu komponen paling umum dalam chip semikonduktor, untuk memanipulasi qubit di dalam wafer silikon komersial. Dengan menggunakan perangkat ini, peneliti dapat mengeksplorasi bagaimana cacat tersebut merespons perubahan medan listrik, menyesuaikan 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 Kelemahan dalam Komunikasi Kuantum

“Salah satu hal yang paling menarik tentang cacat pada silikon adalah Anda dapat menggunakan perangkat yang sudah dipahami dengan baik seperti dioda pada material yang sudah dikenal ini untuk memahami sistem kuantum yang benar-benar baru dan melakukan sesuatu yang baru dengannya,” kata Aaron Day, kandidat Ph. .DD di LAUT. Day memimpin penelitian bersama Madison Sutula, seorang peneliti di Harvard.

Meskipun tim peneliti menggunakan pendekatan ini untuk mengkarakterisasi cacat pada silikon, pendekatan ini dapat digunakan sebagai alat diagnostik dan kontrol untuk cacat pada sistem material lainnya.

Penelitian ini dipublikasikan di Komunikasi Alam.

Aplikasi Pemancar Kuantum dan Jaringan

Cacat kuantum, juga dikenal sebagai pusat warna atau pemancar kuantum, adalah ketidaksempurnaan dalam kisi kristal sempurna yang dapat memerangkap elektron tunggal. Ketika elektron-elektron ini 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 studi ini, tim fokus pada cacat G-center. Hal pertama yang perlu mereka pikirkan adalah bagaimana cara membuatnya. Berbeda dengan jenis cacat lainnya, dimana an atom dihilangkan dari kisi kristal, cacat G pusat dibuat dengan menambahkan atom ke kisi, khususnya karbon. Namun Hu, Day, dan tim peneliti lainnya menemukan bahwa penambahan atom hidrogen juga penting untuk pembentukan cacat secara konsisten.

Mengembangkan Alat untuk Jaringan Kuantum

Selanjutnya, para peneliti membuat dioda listrik menggunakan pendekatan baru yang secara optimal menempatkan cacat di tengah setiap perangkat tanpa menurunkan kinerja baik cacat maupun dioda. Metode fabrikasi dapat menghasilkan ratusan perangkat dengan cacat yang tertanam di seluruh wafer komersial. Dengan menghubungkan seluruh perangkat untuk memberikan tegangan, atau medan listrik, tim menemukan bahwa ketika tegangan negatif diterapkan ke perangkat, cacatnya akan mati dan menjadi gelap.

“Memahami kapan perubahan lingkungan menyebabkan hilangnya sinyal sangat penting untuk merekayasa sistem yang stabil dalam aplikasi jaringan,” kata Day.

Para peneliti juga menemukan bahwa dengan menggunakan medan listrik lokal, mereka dapat menyesuaikan panjang gelombang yang dipancarkan oleh cacat tersebut, yang penting untuk jaringan kuantum ketika sistem kuantum yang berbeda perlu diselaraskan.

Tim juga mengembangkan alat diagnostik untuk menggambarkan bagaimana jutaan cacat yang tertanam pada perangkat berubah di ruang angkasa ketika medan listrik diterapkan.

Arah Masa Depan dan Potensi Komersial

“Kami menemukan bahwa cara kami memodifikasi lingkungan listrik untuk cacat tersebut memiliki profil spasial, dan kami dapat menggambarkannya secara langsung dengan melihat perubahan intensitas cahaya yang dipancarkan oleh cacat tersebut,” kata Day. “Dengan menggunakan begitu banyak penghasil emisi dan mendapatkan statistik kinerjanya, kami sekarang memiliki pemahaman yang baik tentang bagaimana kerusakan merespons perubahan lingkungan. Kami dapat menggunakan informasi tersebut untuk menginformasikan cara membangun lingkungan terbaik untuk mengatasi cacat ini pada perangkat di masa depan. Kami memiliki pemahaman yang lebih baik tentang apa yang membuat cacat ini menyenangkan dan tidak menyenangkan.”

Selanjutnya, tim bertujuan untuk menggunakan teknik yang sama untuk memahami cacat T-center 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 K. Bhaskar dan Evelyn L. Hu, 3 Juni 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-48968-w

Penelitian ini ditulis bersama oleh Sutula, Jonathan R. Dietz, Alexander Raun dari SEAS, dan ilmuwan peneliti AWS Denis D. Sukachev dan Mihir K. Bhaskar.

Pekerjaan ini didukung oleh AWS Center 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.