Sebuah tim insinyur telah membangun sebuah chip optik setipis rambut yang dapat mengontrol cahaya laser secara presisi menggunakan daya yang jauh lebih sedikit, menawarkan jalur praktis menuju komputer kuantum yang jauh lebih besar. Perangkat ini dibuat di pabrik chip standar, sehingga murah dan mudah diproduksi dalam skala besar.
Sebuah chip optik baru, yang hampir 100 kali lebih tipis dari sehelai rambut manusia, dapat membantu mengubah komputer kuantum skala laboratorium saat ini menjadi mesin yang ampuh dengan ribuan atau bahkan jutaan bit kuantum.
Para peneliti melaporkan bahwa perangkat kecil mereka, diterbitkan Dalam jurnal Nature Communications, teknologi ini dapat membentuk ulang cahaya laser secara presisi sambil menggunakan sebagian kecil daya dari perangkat keras besar yang ada saat ini. Yang tak kalah penting, teknologi ini dibuat dengan teknologi produksi massal yang sama yang digunakan untuk chip komputer sehari-hari, sehingga praktis untuk diproduksi dalam jumlah besar.
Penelitian yang dipimpin oleh Jake Freedman, seorang mahasiswa doktoral yang akan segera masuk ke Departemen Teknik Elektro, Komputer & Energi di Universitas Colorado Boulder, Matt Eichenfield, seorang profesor dan pemegang Jabatan Tetap Karl Gustafson di bidang Teknik Kuantum, serta para kolaborator dari Laboratorium Nasional Sandia, termasuk penulis senior bersama Nils Otterstrom, ini menangani salah satu hambatan terbesar dalam meningkatkan skala komputer kuantum: mengendalikan cahaya.
Banyak komputer kuantum yang paling menjanjikan menyimpan informasi dalam atom atau ion individual yang ditahan oleh medan elektromagnetik. Untuk mengoperasikan qubit ini, para peneliti harus secara tepat mengarahkan sinar laser ke setiap atom, menggunakan pergeseran kecil dalam frekuensi laser untuk mengkodekan dan memanipulasi informasi kuantum.
Pada intinya, para ilmuwan perlu dapat "berkomunikasi" dengan setiap atom secara andal tanpa mengganggu atom-atom di sekitarnya.
Freedman menjelaskan bahwa membuat salinan laser yang sedikit bergeser merupakan hal penting dalam tugas tersebut.
“Menciptakan salinan baru laser dengan perbedaan frekuensi yang sangat tepat adalah salah satu alat terpenting untuk bekerja dengan komputer kuantum berbasis atom dan ion,” katanya dalam siaran pers. “Tetapi untuk melakukan itu dalam skala besar, Anda membutuhkan teknologi yang dapat menghasilkan frekuensi baru tersebut secara efisien.”
Saat ini, pergeseran frekuensi tersebut biasanya dihasilkan oleh modulator elektro-optik besar berukuran meja yang diletakkan di atas bangku optik dan mengonsumsi banyak daya gelombang mikro. Modulator ini bekerja dengan baik untuk eksperimen dengan jumlah qubit yang kecil, tetapi tidak dirancang untuk sistem yang mungkin pada akhirnya membutuhkan puluhan atau ratusan ribu saluran optik terpisah.
Eichenfield menyampaikan tantangan itu secara terus terang.
“Anda tidak akan membangun komputer kuantum dengan 100,000 modulator elektro-optik massal yang tersimpan di gudang penuh meja optik,” katanya dalam siaran pers. “Anda membutuhkan beberapa cara yang jauh lebih mudah diskalakan untuk memproduksinya yang tidak perlu dirakit secara manual dan dengan jalur optik yang panjang. Selain itu, jika Anda dapat membuat semuanya muat dalam beberapa mikrochip kecil dan menghasilkan panas 100 kali lebih sedikit, Anda akan jauh lebih mungkin untuk membuatnya berhasil.”
Perangkat baru tim ini merupakan langkah ke arah itu. Ini adalah modulator fase optik, komponen yang mengubah fase cahaya — pada dasarnya, bagaimana puncak dan lembah gelombang cahaya sejajar dari waktu ke waktu. Dengan mengontrol fase pada kecepatan sangat tinggi, chip ini dapat menghasilkan frekuensi baru yang berjarak tepat dari satu laser.
Untuk melakukan ini, perangkat tersebut menggunakan getaran mekanis frekuensi gelombang mikro yang berosilasi miliaran kali per detik. Getaran ultra cepat ini berinteraksi dengan cahaya yang melewati chip, memberikan perubahan terkontrol pada fase laser. Hasilnya adalah serangkaian frekuensi laser baru dengan stabilitas dan efisiensi tinggi, yang sangat penting untuk komputasi kuantum, penginderaan kuantum, dan jaringan kuantum.
Menurut para peneliti, modulator fase mereka dapat menghasilkan frekuensi baru ini sambil mengonsumsi daya gelombang mikro sekitar 80 kali lebih sedikit daripada banyak perangkat komersial. Penggunaan daya yang lebih rendah berarti lebih sedikit panas, yang pada gilirannya memungkinkan lebih banyak saluran untuk dikemas berdekatan, berpotensi pada satu chip.
Kombinasi efisiensi, kekompakan, dan presisi itulah yang membuat teknologi ini menjanjikan untuk mesin kuantum masa depan yang mungkin perlu mengoordinasikan "tarian" rumit dari ribuan atom sekaligus.
Yang tak kalah penting adalah bagaimana perangkat tersebut dibuat. Alih-alih mengandalkan komponen khusus yang dibuat dengan tangan, tim tersebut memproduksi modulator sepenuhnya di fasilitas manufaktur semikonduktor standar, yang sering disebut "fab".
“Fabrikasi CMOS adalah teknologi paling mudah diskalakan yang pernah diciptakan manusia,” tambah Eichenfield, merujuk pada proses yang digunakan untuk membangun mikroprosesor dan chip memori modern. “Setiap chip mikroelektronik di setiap ponsel atau komputer memiliki miliaran transistor yang pada dasarnya identik. Jadi, dengan menggunakan fabrikasi CMOS, di masa depan, kita dapat memproduksi ribuan atau bahkan jutaan versi identik dari perangkat fotonik kita, yang persis dibutuhkan oleh komputasi kuantum.”
Menurut Otterstorm, karya ini mengubah perangkat yang dulunya mahal, boros daya, dan besar menjadi lebih efisien dan ringkas. Ia menggambarkan perubahan ini sebagai titik balik bagi teknologi berbasis cahaya.
“Kami membantu mendorong bidang optik menuju 'revolusi transistor' tersendiri, beralih dari teknologi optik yang setara dengan tabung vakum menuju teknologi fotonik terintegrasi yang dapat diskalakan,” tambah Otterstorm.
Dalam jangka panjang, "revolusi transistor" semacam itu untuk optik dapat melakukan hal yang sama untuk perangkat keras kuantum seperti yang dilakukan sirkuit terpadu untuk komputasi klasik pada abad ke-20: mengecilkan sistem sebesar ruangan menjadi chip dan membuatnya cukup murah dan andal untuk digunakan secara luas.
Tim tersebut sudah mengerjakan langkah selanjutnya. Mereka sedang mengembangkan sirkuit fotonik terintegrasi penuh yang menggabungkan beberapa fungsi utama — pembangkitan frekuensi, penyaringan, dan pembentukan pulsa — ke dalam satu chip yang sama. Hal itu akan membawa mereka lebih dekat ke platform kontrol optik yang lengkap dan siap pakai untuk komputer kuantum.
Selanjutnya, para peneliti berencana untuk bermitra dengan perusahaan komputasi kuantum untuk menguji versi chip ini di dalam sistem ion terperangkap dan atom netral terperangkap yang canggih. Kolaborasi tersebut akan membantu menunjukkan bagaimana modulator baru ini bekerja dalam kondisi dunia nyata dan perbaikan apa yang dibutuhkan.
Freedman memandang perangkat ini sebagai tonggak penting dalam perjalanan menuju mesin kuantum skala besar yang praktis.
“Perangkat ini adalah salah satu bagian terakhir dari teka-teki,” tambahnya. “Kita semakin dekat dengan platform fotonik yang benar-benar dapat diskalakan dan mampu mengendalikan sejumlah besar qubit.”
Sumber: University of Colorado Boulder