BerandaComputers and TechnologyFisikawan mengembangkan modem yang efisien untuk internet kuantum masa depan

Fisikawan mengembangkan modem yang efisien untuk internet kuantum masa depan

Physicists develop efficient modem for a future quantum internet
Modem kuantum Garching: Disk kristal dengan bit kuantum atom erbium (panah) berada di tengah, cahaya inframerah yang dipantulkan bolak-balik ditunjukkan oleh disk merah. Kredit: Christoph Hohmann (MCQST)

Revolusi kuantum pertama menghasilkan elektronik semikonduktor, laser, dan terakhir internet. Revolusi kuantum kedua yang akan datang menjanjikan komunikasi anti mata-mata, sensor kuantum yang sangat presisi, dan komputer kuantum untuk tugas komputasi yang sebelumnya tidak dapat diselesaikan. Tapi revolusi ini masih dalam tahap awal. Objek penelitian pusat adalah antarmuka antara perangkat kuantum lokal dan kuantum cahaya yang memungkinkan transmisi informasi kuantum yang sangat sensitif dari jarak jauh. Kelompok Otto-Hahn “Jaringan Kuantum” di Institut Optik Kuantum Max-Planck di Garching sedang meneliti “modem kuantum” semacam itu. Tim tersebut kini telah mencapai terobosan pertama dalam teknologi yang relatif sederhana namun sangat efisien yang dapat diintegrasikan ke dalam jaringan serat optik yang ada. Karya tersebut diterbitkan minggu ini di Physical Review X .

Pandemi Corona adalah a pengingat harian tentang betapa pentingnya internet. World Wide Web, yang pernah menjadi produk sampingan dari penelitian fisik dasar, telah mengubah budaya kita secara radikal. Bisakah internet kuantum menjadi inovasi besar berikutnya dari fisika?

Masih terlalu dini untuk menjawab pertanyaan itu, tetapi penelitian dasar sudah bekerja di internet kuantum. Banyak aplikasi akan lebih terspesialisasi dan kurang sensual daripada konferensi video, tetapi pentingnya komunikasi jarak jauh yang benar-benar anti mata-mata dapat dimengerti oleh semua orang. “Di masa depan, internet kuantum dapat digunakan untuk menghubungkan komputer kuantum yang terletak di tempat berbeda,” kata Andreas Reiserer, “yang akan sangat meningkatkan daya komputasi mereka!” Fisikawan tersebut mengepalai kelompok penelitian independen Otto-Hahn “Jaringan Kuantum” di Max-Planck-Institut Optik Kuantum di Garching.

Dengan demikian, internet kuantum pada dasarnya adalah tentang jaringan global teknologi baru yang membuat penggunaan fisika kuantum lebih konsekuen daripada sebelumnya. Namun, ini membutuhkan antarmuka yang sesuai untuk informasi kuantum yang sangat sensitif. Ini adalah tantangan teknis yang sangat besar, itulah sebabnya antarmuka semacam itu menjadi fokus utama penelitian fundamental. Mereka harus memastikan bahwa bit kuantum stasioner — singkatnya qubit — berinteraksi secara efisien dengan qubit “terbang” untuk komunikasi jarak jauh tanpa merusak informasi kuantum. Qubit stasioner akan ditempatkan di perangkat lokal, misalnya sebagai memori atau prosesor komputer kuantum. Qubit terbang biasanya adalah kuanta cahaya, foton, yang mengangkut informasi kuantum melalui udara, ruang hampa atau melalui jaringan serat optik.

Koneksi halus antara bit kuantum

“Modem kuantum” dirancang untuk secara efisien membuat sambungan antara qubit terbang dan stasioner. Untuk tujuan ini, tim di sekitar mahasiswa doktoral Benjamin Merkel telah mengembangkan teknologi baru dan baru saja mendemonstrasikan fungsi dasarnya. Keuntungan utamanya adalah dapat diintegrasikan ke dalam jaringan serat optik telekomunikasi yang ada. Ini akan menjadi cara tercepat untuk memajukan jaringan teknologi kuantum jarak jauh yang berfungsi.

Agar sistem ini bekerja, foton yang dikirim atau diterima oleh modem sebagai pembawa informasi kuantum harus disesuaikan secara tepat dengan panjang gelombang inframerah dari sinar laser yang digunakan untuk telekomunikasi. Ini berarti modem harus memiliki qubit diam yang dapat bereaksi secara tepat terhadap foton inframerah ini dengan lompatan kuantum. Hanya dengan cara ini informasi kuantum sensitif dapat dikirim langsung antara qubit diam dan qubit terbang.

Penelitian ekstensif oleh kelompok berbasis Garching menunjukkan bahwa elemen erbium paling cocok untuk tujuan ini. Elektronnya dapat melakukan lompatan kuantum yang sangat cocok. Sayangnya, atom erbium sangat enggan melakukan lompatan kuantum ini. Oleh karena itu, mereka harus terpaku pada lingkungan yang memaksa mereka untuk bereaksi lebih cepat. Untuk mengatasi masalah ini, atom erbium dan foton inframerah dikunci di ruang yang sesuai selama mungkin. “Anda dapat menganggapnya sebagai sebuah pesta, yang seharusnya merangsang komunikasi terbaik antara, katakanlah, sepuluh tamu,” jelas Reiserer. Ukuran ruangan sangat penting di sini. “Di stadion sepak bola para tamu akan tersesat, kotak telepon pada gilirannya akan menjadi terlalu kecil,” lanjut fisikawan itu, “tetapi ruang tamu akan baik-baik saja.”

Namun, pesta akan segera berakhir karena foton bergerak dengan kecepatan cahaya dan oleh karena itu sangat mudah berubah dan selalu tergoda untuk pergi. Inilah sebabnya mengapa modem kuantum Garching menggunakan lemari cermin kecil sebagai ruang tamu “ “Selanjutnya, tim mengemas atom menjadi kristal transparan yang terbuat dari senyawa yttrium silikat, yang lima kali lebih tipis dari rambut manusia. Kristal ini, pada gilirannya, ditempatkan seperti roti lapis yang tersebar di antara dua cermin yang hampir sempurna. Untuk menghilangkan goyangan panas atom, yang merusak informasi kuantum, seluruh ansambel didinginkan hingga minus 271 ° C.

Foton ping-pong di lemari cermin

Foton yang terperangkap di antara cermin dipantulkan bolak-balik melalui kristal seperti bola ping-pong. Mereka melewati atom erbium begitu sering sehingga atom memiliki cukup waktu untuk bereaksi dengan lompatan kuantum. Dibandingkan dengan situasi tanpa lemari cermin, ini terjadi jauh lebih efisien dan hampir enam puluh kali lebih cepat. Karena cermin, terlepas dari kesempurnaannya, juga sedikit permeabel ke foton, modem dapat terhubung ke jaringan.

“Kami sangat senang dengan kesuksesan ini,” kata Reiserer. Sebagai langkah berikutnya, dia ingin meningkatkan eksperimen sedemikian rupa sehingga atom erbium individu dapat disebut sebagai qubit melalui sinar laser. Ini bukan hanya langkah penting menuju modem kuantum yang dapat digunakan. Atom Erbium sebagai qubit dalam kristal bahkan dapat berfungsi secara langsung sebagai prosesor kuantum, yang merupakan bagian sentral dari komputer kuantum. Ini akan membuat modem mudah kompatibel dengan terminal kuantum semacam itu.

Dengan solusi yang begitu elegan, “repeater kuantum” yang dibangun secara komparatif juga akan menjadi mungkin. Setiap seratus kilometer, perangkat harus mengkompensasi hilangnya informasi kuantum yang semakin meningkat yang diangkut oleh foton dalam jaringan serat optik. “Repeater kuantum” semacam itu juga menjadi fokus penelitian internasional. “Meskipun perangkat seperti itu yang didasarkan pada teknologi kami akan menelan biaya sekitar seratus ribu euro, penggunaan secara luas tidak akan realistis,” kata Reiserer.

Modem kuantum Garching masih merupakan penelitian fundamental murni. Tetapi memiliki potensi untuk memajukan realisasi teknis dari internet kuantum.



Informasi lebih lanjut: Benjamin Merkel dkk. Emisi Koheren dan Purcell-Enhanced dari Erbium Dopants dalam Cryogenic High-Q Resonator, Physical Review X (2020) . DOI: 10.1103 / PhysRevX.10.041025

Kutipan: Fisikawan mengembangkan modem yang efisien untuk internet kuantum masa depan (2020, 5 November) diakses 6 November 2020 dari https://phys.org/news/2020-11-physicists-efficient-modem-future-quantum.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Terlepas dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak sebagian boleh diperbanyak tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.

Read More

RELATED ARTICLES

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Most Popular

Recent Comments