Komputer Kuantum Membutuhkan Internet Kuantum: Inilah Alasannya

Kapan dan mengapa pemancar foton gagal memancarkan? Penelitian di UC Santa Barbara menjelaskan pertanyaan-pertanyaan ini.

Penelitian tentang teknologi internet kuantum menyoroti tantangan dalam menghasilkan foton stabil pada panjang gelombang telekomunikasi, dengan studi terkini berfokus pada peningkatan material dan teknik emisi canggih untuk meningkatkan efisiensi jaringan kuantum.

Komputer mendapat manfaat besar jika terhubung ke internet, jadi kita mungkin bertanya: Apa gunanya komputer kuantum tanpa internet kuantum?

Rahasia internet modern kita adalah kemampuan data untuk tetap utuh dalam jarak jauh, dan cara terbaik untuk mencapainya adalah dengan foton. Foton adalah satuan tunggal (“kuanta”) cahaya. Tidak seperti partikel kuantum lainnya, foton berinteraksi sangat lemah dengan lingkungannya. Stabilitas itu juga membuatnya sangat menarik untuk membawa informasi kuantum dalam jarak jauh, sebuah proses yang memerlukan pemeliharaan keadaan keterikatan yang kompleks untuk jangka waktu yang lama. Foton semacam itu dapat diproduksi dengan berbagai cara. Salah satu metode yang mungkin melibatkan penggunaan ketidaksempurnaan skala atom (cacat kuantum) dalam kristal untuk menghasilkan foton tunggal dalam keadaan kuantum yang terdefinisi dengan baik.

Selama puluhan tahun, optimasi telah menghasilkan kabel serat optik yang dapat mentransmisikan foton dengan kerugian yang sangat rendah. Namun, transmisi dengan kerugian rendah ini hanya berfungsi untuk cahaya dalam rentang panjang gelombang yang sempit, yang dikenal sebagai “pita panjang gelombang telekomunikasi.” Mengidentifikasi cacat kuantum yang menghasilkan foton pada panjang gelombang ini terbukti sulit, tetapi pendanaan dari Departemen Energi AS dan National Science Foundation (NSF) telah memungkinkan para peneliti di Fakultas Teknik UC Santa Barbara untuk memahami alasannya. Mereka menjelaskan temuan mereka dalam sebuah makalah yang baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Fotonik APL.

Efisiensi Emisi Kuantum

“Atom-atom terus-menerus bergetar, dan getaran tersebut dapat menguras energi dari pemancar cahaya,” kata profesor material UCSB Chris Van de Walle. “Akibatnya, alih-alih memancarkan cahaya, fotonCacat ini malah dapat menyebabkan atom bergetar, yang mengurangi efisiensi emisi cahaya.” Kelompok Van de Walle mengembangkan model teoritis untuk menangkap peran getaran atom dalam proses emisi foton dan mempelajari peran berbagai sifat cacat dalam menentukan tingkat efisiensi.

Pekerjaan mereka menjelaskan mengapa efisiensi emisi foton tunggal menurun tajam saat panjang gelombang emisi meningkat melampaui cahaya tampak (ungu ke merah) ke panjang gelombang inframerah dalam pita telekomunikasi. Model tersebut juga memungkinkan para peneliti untuk mengidentifikasi teknik untuk merekayasa pemancar yang lebih terang dan lebih efisien.

“Memilih bahan induk secara cermat, dan melakukan rekayasa tingkat atom pada sifat getaran adalah dua cara yang menjanjikan untuk mengatasi efisiensi rendah,” kata Mark Turiansky, seorang peneliti pascadoktoral di

Van de Walle Lab, seorang peneliti di NSF UC Santa Barbara Quantum Foundry, dan peneliti utama pada proyek tersebut.

Solusi lain melibatkan penggabungan ke rongga fotonik, suatu pendekatan yang memanfaatkan keahlian dua afiliasi Quantum Foundry lainnya: profesor teknik komputer Galan Moody dan Kamyar Parto, seorang mahasiswa pascasarjana di laboratorium Moody.

Tim berharap bahwa model dan wawasan yang diberikannya akan terbukti berguna dalam merancang pemancar kuantum baru yang akan memberi daya pada jaringan kuantum masa depan.

Referensi: “Desain rasional pemancar kuantum berbasis cacat yang efisien” oleh Mark E. Turiansky, Kamyar Parto, Galan Moody dan Chris G. Van de Walle, 26 Juni 2024, Fotonik APL.
Nomor Identifikasi Penduduk: 10.1063/5.0203366