Fisikawan kuantum merayakan pada bulan Oktober ketika komite Nobel memberikan a lama ditunggu-tunggu hadiah fisika untuk Alain Aspect, John Clauser dan Anton Zeilinger atas kepeloporan mereka penelitian tentang keterikatan kuantum. Tetapi komunitas tersebut tentu saja tidak berpuas diri, dan dengan begitu banyak perkembangan menarik lainnya di tahun 2022, sulit untuk memilih beberapa sorotan saja. Namun demikian, berikut adalah beberapa hasil yang menonjol bagi kami di bidang penginderaan kuantum, informasi kuantum, komputasi kuantum, kriptografi kuantum, dan ilmu kuantum fundamental.
Dalam mekanika kuantum, prinsip delokalisasi menyatakan bahwa sebuah partikel kuantum dapat, dalam arti gelombang tangan, berada di banyak tempat sekaligus. Prinsip keterikatan, sementara itu, menyatakan bahwa partikel kuantum mengalami koneksi yang memungkinkan kondisi satu partikel menentukan kondisi partikel lainnya, bahkan melintasi jarak yang sangat jauh. Pada bulan November, fisikawan di JILA di Colorado, AS, menggunakan kombinasi keterikatan dan delokalisasi untuk menekan kebisingan yang sebelumnya membuat tidak mungkin merasakan percepatan di bawah apa yang disebut batas kuantum. Batasan ini ditentukan oleh derau kuantum partikel individu, dan telah lama menjadi kendala signifikan pada presisi sensor kuantum. Mengatasinya dengan demikian merupakan langkah maju yang besar.
Mengirim informasi kuantum dari satu node dalam jaringan ke yang lain tidaklah mudah. Jika Anda menyandikan informasi dalam foton yang dikirim ke serat optik, kehilangan serat menggerogoti kesetiaan sinyal hingga tidak dapat dibaca. Jika Anda malah menggunakan keterikatan kuantum untuk menteleportasi informasi secara langsung, Anda memperkenalkan proses lain yang, sayangnya, juga menurunkan sinyal. Menambahkan node ketiga ke jaringan, sebagai fisikawan di QuTech di Belanda lakukan pada tahun 2021, hanya membuat tugas lebih sulit. Itulah mengapa sangat mengesankan bahwa para peneliti QuTech menindaklanjuti kesuksesan mereka sebelumnya dengan memindahkan informasi kuantum dari pengirim (Alice) ke penerima (Charlie) melalui node perantara (Bob). Meskipun ketepatan transmisi Alice-Bob-Charlie hanya 71%, itu lebih tinggi dari batas klasik 2/3, dan untuk mencapainya diperlukan para peneliti untuk menggabungkan dan mengoptimalkan beberapa eksperimen yang menantang. Akankah node Dave, Edna, dan Fred bergabung dengan jaringan pada tahun 2023? Kita lihat saja nanti!
Jika tidak jelas dari dua sorotan pertama dalam daftar ini, kebisingan adalah masalah besar dalam ilmu kuantum. Ini berlaku untuk komputasi seperti halnya untuk penginderaan dan komunikasi, itulah sebabnya mengoreksi kesalahan yang disebabkan oleh kebisingan ini sangat penting. Dibuat oleh fisikawan beberapa kemajuan di depan ini pada tahun 2022, tetapi salah satu yang paling signifikan datang pada bulan Mei ketika para peneliti di University of Innsbruck, Austria dan RWTH Aachen University di Jerman mendemonstrasikan satu set lengkap operasi kuantum yang toleran terhadap kesalahan untuk pertama kalinya. Komputer kuantum perangkap ion mereka menggunakan tujuh qubit fisik untuk membuat setiap qubit logis, ditambah qubit "bendera" untuk menandakan adanya kesalahan berbahaya dalam sistem. Yang terpenting, versi sistem yang dikoreksi kesalahan bekerja lebih baik daripada versi sederhana yang tidak dikoreksi, yang menggambarkan kemungkinan teknik tersebut.
Keamanan informasi adalah USP kriptografi kuantum, tetapi informasi hanya seaman tautan terlemah dalam rantai. Dalam distribusi kunci kuantum (QKD), satu tautan lemah potensial adalah perangkat yang digunakan untuk mengirim dan menerima kunci, yang rentan terhadap peretasan konvensional (seperti seseorang yang membobol node dan merusak sistem) meskipun kunci itu sendiri aman terhadap yang kuantum. Salah satu alternatifnya adalah dengan menggunakan perangkat-independen QKD (DIQKD), yang menggunakan pengukuran ketidaksetaraan Bell dalam pasangan foton untuk mengonfirmasi bahwa proses pembuatan kunci belum dipalsukan. Pada bulan Juli, dua kelompok peneliti independen mendemonstrasikan DIQKD secara eksperimental untuk pertama kalinya – dalam satu kasus dengan menghasilkan 1.5 juta pasangan Bell terjerat selama delapan jam dan menggunakannya untuk menghasilkan kunci bersama sepanjang 95 884 bit. Meskipun tingkat pembuatan kunci harus lebih tinggi untuk membuat DIQKD praktis untuk jaringan terenkripsi dunia nyata, bukti prinsipnya menakjubkan.
Partikel terjerat lainnya dalam daftar sorotan ini semuanya identik: foton terjerat dengan foton lain, ion dengan ion lain, atom dengan atom lain. Tapi tidak ada dalam teori kuantum yang menuntut simetri semacam ini, dan kelas baru teknologi kuantum "hibrid" yang muncul sebenarnya bergantung pada pencampuran berbagai hal. Masukkan peneliti yang dipimpin oleh Armin Feist dari Institut Max Planck untuk Ilmu Multidisiplin di Jerman, yang menunjukkan pada bulan Agustus bahwa mereka dapat menjerat elektron dan foton menggunakan mikroresonator optik berbentuk cincin dan seberkas elektron berenergi tinggi yang melewati cincin pada garis singgung. Teknik ini memiliki aplikasi untuk proses kuantum yang disebut "heralding" di mana mendeteksi satu partikel dalam pasangan terjerat menunjukkan bahwa partikel lain tersedia untuk digunakan dalam sirkuit kuantum – contoh yang bagus tentang bagaimana kemajuan fundamental saat ini mendorong inovasi di masa depan.
Sekantong keanehan kuantum
Akhirnya, seperti tradisional (kami telah melakukannya dua kali, oleh karena itu tradisi), tidak ada daftar sorotan kuantum yang lengkap tanpa anggukan pada semua yang aneh dan membingungkan di lapangan. Jadi mari kita dengarkan para peneliti AS yang menggunakan prosesor kuantum mensimulasikan teleportasi informasi melalui lubang cacing dalam ruang-waktu; sebuah grup di Italia dan Prancis yang memberikan angka keras pada foton yang tidak dapat dibedakan; sebuah tim internasional yang menggunakan pelanggaran kuantum terhadap kausalitas klasik lebih memahami sifat sebab-akibat; dan sepasang fisikawan pemberani di University of Edinburgh, Inggris, yang menunjukkan bahwa sinyal kuantum akan menjadi cara yang baik untuk alien berteknologi maju untuk menjalin kontak melintasi jarak antarbintang. Terima kasih telah membuat kuantum tetap aneh!
