Komputer kuantum dianggap menjanjikan untuk tugas-tugas komputasi tertentu, tetapi sejauh ini komputer tersebut hanya dapat dihubungkan satu sama lain dalam jarak yang sangat pendek. Alasannya adalah terbatasnya waktu koherensi dari qubit yang terlibat, yang dengan cepat hilang selama transmisi melalui serat optik. Sebuah tim peneliti di Universitas Chicago sekarang melaporkan sebuah pendekatan yang secara signifikan menggeser batas temporal ini – dengan demikian memperluas jangkauan potensial jaringan kuantum di masa depan.
“Untuk pertama kalinya, teknologi untuk membangun internet kuantum berskala global berada dalam jangkauan,” kata Zhong, yang baru-baru ini menerima penghargaan bergengsi Sturge Prize untuk karya ini.
“Cara tradisional untuk membuat bahan ini pada dasarnya adalah dengan menggunakan panci peleburan,” kata Zhong tentang metode Czochralski. “Anda memasukkan rasio bahan yang tepat dan kemudian melelehkan semuanya. Temperaturnya mencapai 2.000 derajat Celcius dan secara perlahan didinginkan untuk membentuk kristal material.”
Inti dari karya Tian Zhong, Asisten Profesor di Sekolah Teknik Molekuler Pritzker, adalah kristal yang didoping dengan tanah jarang-khususnya erbium. Bahan-bahan tersebut sudah mapan dalam komunikasi kuantum karena beroperasi pada panjang gelombang telekomunikasi. Namun, yang baru adalah cara pembuatannya. Alih-alih menumbuhkan kristal secara konvensional dari lelehan menggunakan proses Czochralski, tim ini menggunakan epitaksi berkas molekuler (MBE). Dalam MBE, blok-blok penyusun diendapkan lapis demi lapis di bawah vakum ultra-tinggi-sebuah proses yang secara fungsional menyerupai pencetakan 3D, hanya saja dalam skala atom.
“Kami mulai dari nol dan kemudian merakit perangkat ini atom demi atom,” kata Zhong. “Kualitas atau kemurnian bahan ini sangat tinggi sehingga sifat koherensi kuantum atom-atom ini menjadi luar biasa.”
Keuntungan dari pendekatan bottom-up ini terletak pada kemurnian material yang tinggi dan kontrol yang tepat dari struktur kristal. Dalam percobaan, tim mampu meningkatkan waktu koherensi atom erbium individu dari sebelumnya sekitar 0,1 milidetik menjadi lebih dari 10 milidetik – hingga 24 milidetik dalam beberapa kasus. Secara teori, hal ini dapat memungkinkan komputer kuantum dihubungkan melalui serat optik sepanjang beberapa ribu kilometer.
“Pendekatan yang ditunjukkan dalam makalah ini sangat inovatif,” kata Institute of Photonic Sciences Prof. “Ini menunjukkan bahwa pendekatan fabrikasi nano dari bawah ke atas yang terkontrol dengan baik dapat mengarah pada realisasi qubit ion tanah jarang tunggal dengan sifat koherensi optik dan spin yang sangat baik, yang mengarah pada antarmuka foton spin yang berumur panjang dengan emisi pada panjang gelombang telekomunikasi, semuanya dalam arsitektur perangkat yang kompatibel dengan serat. Ini adalah kemajuan signifikan yang menawarkan jalan terukur yang menarik untuk produksi banyak qubit yang dapat dijejaringkan secara terkendali.”
Yang penting di sini bukanlah bahan baru melainkan metode pembuatannya. Sementara kristal konvensional harus disusun setelahnya, komponen yang ditumbuhkan MBE dibuat langsung dalam geometri targetnya. Bagi Zhong, ini adalah perbedaan yang krusial-mirip dengan perbedaan antara pemesinan subtraktif dan manufaktur aditif.
“Sebelum kami benar-benar menggunakan serat dari, katakanlah, Chicago ke New York, kami akan mengujinya di laboratorium saya,” kata Zhong.
“Kami sekarang sedang membangun lemari es ketiga di lab saya. Ketika semuanya sudah terhubung, itu akan membentuk jaringan lokal, dan pertama-tama kami akan melakukan percobaan secara lokal di lab saya untuk mensimulasikan seperti apa jaringan jarak jauh di masa depan,” kata Zhong. “Ini semua adalah bagian dari tujuan besar untuk menciptakan internet kuantum yang sebenarnya, dan kami mencapai satu lagi tonggak sejarah untuk mencapai tujuan tersebut.”
Sebagai langkah selanjutnya, tim berencana untuk menguji waktu koherensi yang lebih baik dalam praktiknya dengan menghubungkan qubit dalam cryostat terpisah melalui gulungan serat optik sepanjang satu kilometer. Hal ini membawa infrastruktur yang kuat untuk jaringan komputer kuantum setidaknya secara eksperimental lebih dekat.
