Atom Tanah Langka Dapat Membuat Pengulang Kuantum Pada Panjang Gelombang Telekomunikasi

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Gambar perangkat erbium, yaitu chip abu-abu yang berisi kisi-kisi lubang dan dua saluran seperti pita — Kompatibel dengan telekomunikasi: Gambar perangkat yang digunakan dalam percobaan. (Sumber: Lukasz Dusanowski)

Para peneliti di Universitas Princeton di AS telah mengambil langkah penting menuju realisasi jaringan kuantum yang skalabel berkat unsur tanah jarang: erbium. Erbium pandai memancarkan dan menyerap foton pada panjang gelombang yang digunakan dalam industri telekomunikasi, yang merupakan keuntungan karena foton ini dapat menempuh jarak jauh dengan sedikit redaman pada serat optik standar. Memanfaatkan kekuatan ini di dunia kuantum merupakan sebuah tantangan, namun tim Princeton berhasil membujuk perangkat berbasis erbium agar memancarkan foton yang identik – sebuah prasyarat bagi repeater kuantum untuk berbagi informasi kuantum dalam jarak yang sangat jauh.

“Serat yang didoping Erbium digunakan sebagai repeater klasik untuk membuat penguat serat klasik untuk semua jenis jalur komunikasi optik, seperti kabel bawah laut jarak jauh,” kata Jeff Thompson, seorang profesor teknik elektro dan komputer di Princeton dan peneliti utama pada penelitian tersebut. “Jadi, bagi saya, sangatlah wajar untuk mencoba menghasilkan versi kuantumnya.”

Menguntungkan, tetapi sulit untuk dikerjakan

Foton mungkin merupakan pembawa informasi alami, namun sulit untuk dipertahankan dan jarang berinteraksi satu sama lain. Artinya jika sebuah foton hilang atau informasi yang dikodekan di dalamnya menurun, foton lain tidak dapat menyelamatkannya. Sebaliknya, informasi kuantum perlu disimpan dalam suatu jenis memori – dalam hal ini, sebuah atom. “Pengulang kuantum sebenarnya hanyalah cara memetakan informasi kuantum bolak-balik antara cahaya dan atom,” jelasnya Elizabeth Goldschmidt, seorang profesor optik kuantum di Universitas Illinois-Urbana Champaign, AS yang tidak terlibat dalam pekerjaan tersebut.

Dalam jaringan kuantum berbasis repeater, idenya adalah untuk membangun keterjeratan antara dua titik berjauhan dengan membagi jarak tersebut menjadi beberapa bagian. Cara kerjanya adalah repeater kuantum di salah satu ujung saluran jarak jauh memancarkan foton, dan, dalam prosesnya, terjerat dengannya. Repeater lain yang tidak jauh dari saluran juga memancarkan foton ke arah repeater pertama. Ketika dua foton bertemu, mereka diukur sedemikian rupa sehingga menjeratnya. Selama foton tetap terjerat dengan emitornya masing-masing, maka emitor juga akan terjerat. Dengan melanjutkan proses ini ke bawah rantai, pada akhirnya kedua penghasil emisi di ujung saluran yang berlawanan akan terjerat. Kemudian mereka dapat digunakan sebagai kunci bersama dalam skema distribusi kunci kuantum, atau mereka dapat berbagi sedikit informasi kuantum melalui protokol teleportasi kuantum.

Ulangi setelah saya

Teknologi pengulang kuantum lainnya telah dikembangkan menggunakan berbagai atom atau cacat pada berlian. Namun, sistem ini umumnya memancarkan foton pada frekuensi yang hampir terlihat, yang kemudian dilemahkan dengan cepat pada serat optik. Agar berfungsi secara optimal, mereka memerlukan konversi frekuensi, yang rumit dan mahal. Repeater yang secara otomatis memancarkan cahaya dengan warna yang diinginkan akan sangat menyederhanakan prosesnya.

Untuk membuat atom erbium berfungsi sebagai repeater kuantum, ada dua hal utama yang harus berjalan dengan baik. Pertama, atom perlu memancarkan foton dengan cukup cepat agar skema ini praktis. Kedua, foton yang dipancarkan harus mempertahankan sifat kuantumnya dan tetap terikat dengan atom yang memancarkannya meskipun ada gangguan – suatu sifat yang dikenal sebagai koherensi.

Sayangnya, atom erbium di alam liar sangat jarang memancarkan foton pita telekomunikasi. Untuk meningkatkan laju emisi erbium pada warna yang diinginkan, tim menempatkan atom di dalam kristal, hanya beberapa nanometer dari permukaan. Di atas kristal ini, mereka menempatkan rongga, yang merupakan perangkat nanofotonik silikon yang dirancang untuk memerangkap cahaya pada panjang gelombang tepat yang dipancarkan erbium. Dengan memasukkan atom erbium ke dalam rongga ini, para peneliti Princeton meyakinkannya untuk memancarkan foton telekomunikasi hampir 1000 kali lebih sering daripada yang seharusnya.

Pilihlah dengan bijak

Untuk mempertahankan koherensi kuantum foton cukup lama untuk mengirimkan belitan, Thompson dan rekannya harus memilih bahan kristal dengan sangat hati-hati. Dari ribuan kemungkinan awal, mereka mencoba sekitar 20 di laboratorium sebelum memilih kalsium tungstat, yang menjadikan koherensi foton yang dipancarkan cukup tinggi sehingga mereka dapat berpartisipasi dalam interferensi kuantum satu sama lain. Interferensi kuantum ini diperlukan untuk tahap pengukuran keterjeratan foton dalam arsitektur pengulang kuantum.

Repeater kuantum baru dapat mengaktifkan internet kuantum yang dapat diskalakan

Langkah selanjutnya, yang menurut para peneliti Princeton sudah bisa dilakukan, adalah menunjukkan keterikatan antara foton yang dipancarkan dari atom erbium yang berbeda. Setelah itu, tinggal merangkai repeater secara daisy-chain untuk membentuk saluran komunikasi kuantum. Para peneliti percaya bahwa teknologi ini seharusnya mudah untuk dikembangkan karena memanfaatkan industri fotonik silikon yang sudah matang. “Saya pikir ini adalah hal yang sangat baru dan penting,” kata Goldschmidt. “Atom tanah jarang dapat mempertahankan koherensi luar biasa yang Anda peroleh dengan atom atau ion dalam ruang hampa, sekaligus sangat dapat direkayasa dan kompatibel dengan integrasi perangkat, seperti yang ditunjukkan dengan jelas dalam karya ini.”

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Alam.