Membangun Generasi Komputer Berikutnya dengan Emitor Kuantum dan Laser Inframerah

Sejarah komputer terkait erat dengan sejarah teknologi modern. Semua dimulai pada abad ke-19, ketika pada tahun 1801, seorang pedagang dan penemu Prancis, Marie Jacquard, menciptakan sebuah mesin tenun dengan kartu kayu berlubang untuk secara otomatis menenun pola kain.

Namun, kemajuan paling signifikan dalam komputasi otomatis pada abad itu terjadi ketika matematikawan Inggris Charles Babbage merancang mesin hitung yang digerakkan oleh uap yang mampu menghitung tabel angka. Penemuan paling revolusioner pada abad ke-20 muncul pada tahun 1936 dari Alan Turing, seorang ilmuwan dan matematikawan Britania, yang memperkenalkan mesin universal, yang kemudian dinamakan Mesin Turing. Para ilmuwan menyatakan bahwa konsep komputer modern secara fundamental didasarkan pada ide-ide Alan Turing.

Sejak saat itu, telah menjadi rangkaian kemajuan. Pada tahun 1939, David Packard dan Bill Hewlett mendirikan Perusahaan Hewlett Packard, dan pada tahun 1953, Grace Hopper mengembangkan bahasa komputer pertama, COBOL, diikuti oleh John Backus dan timnya di IBM yang menerbitkan makalah yang menjelaskan bahasa pemrograman FORTRAN yang baru mereka ciptakan.

Aliran penemuan yang memperkaya teknologi komputasi selama bertahun-tahun telah berfokus pada berbagai aspek. Kadang-kadang, itu adalah pengembangan bahasa atau perangkat lunak terobosan, dan lain kali, perangkat keras yang krusial. Penemuan-penemuan semacam itu terus terjadi, membantu membangun generasi berikutnya komputer, sesuatu yang benar‑benar “futuristik”, dalam arti paling sejati istilah tersebut.

Dalam segmen berikut, kami akan melihat dua penemuan tersebut yang melibatkan Emitor Kuantum dan Laser Inframerah. 

Menuju Terobosan Besar: Komputer Kuantum yang Dapat Diskalakan

Pencapaian ini berasal dari tim peneliti yang dipimpin oleh Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Para peneliti mengklaim telah berhasil dalam upaya mereka untuk menggunakan lapisan femtosekon untuk menciptakan dan ‘menghilangkan’ qubit dengan mendoping silikon dengan hidrogen. Para peneliti menekankan bahwa mereka dapat melakukan latihan ini sesuai permintaan dan dengan presisi. 

Namun, untuk dapat memahami signifikansi penelitian ini secara penuh, kita harus mengetahui apa itu qubit dan mengapa mereka penting!

Kebutuhan untuk Menyambungkan Miliar Qubit Bersama-sama

Quantum computers could prove pathbreaking in their ability to solve problems a million times faster than some of the most advanced supercomputers currently available. These machines have the potential to usher in revolutionary breakthroughs in areas such as healthcare, pharmaceuticals, and artificial intelligence. But for all these to happen, the industry would have to devise a way to string together billions of qubits or quantum bits, leading to the ultimate development of a highly efficient network of quantum computers.

Penelitian kini telah menunjukkan cara memperkuat komputer kuantum dengan menggunakan qubit optik yang dapat diprogram atau ‘qubit spin‑photon’ yang dapat menghubungkan node kuantum di seluruh jaringan jarak jauh. 

Saat menjelaskan signifikansi penelitian dan hasil yang diperoleh, Kaushalya Jhuria, seorang peneliti pascadoktor di Divisi Teknologi Akselerator & Fisika Terapan (ATAP) Berkeley Lab, memberikan pernyataan berikut:

“To make a scalable quantum architecture or network, we need qubits that can reliably form on-demand, at desired locations, so that we know where the qubit is located in a material. And that’s why our approach is critical. Because once we know where a specific qubit is sitting, we can determine how to connect this qubit with other components in the system and make a quantum network.”

Namun, bagaimana penelitian ini mencapai tujuan tersebut? Hal itu dilakukan dengan membentuk qubit dalam silikon dengan kontrol yang dapat diprogram. 

Kisah ‘Color Centers’ pada Silikon dan ‘Spin Photon Qubits’

Dengan dukungan dari Office of Science DOE, studi menggunakan lingkungan gas untuk menciptakan cacat yang dapat diprogram yang dikenal sebagai “color centers” pada silikon. Color centers ini menjadi kandidat untuk “spin photon qubits” atau qubit telekomunikasi khusus.

Quantum atau bit qubit adalah unit dasar informasi kuantum. Komponen terkecil dari sistem informasi kuantum ini mengkodekan data dalam 1, 0, atau segala sesuatu di antara keduanya, yang dikenal sebagai superposisi. Sementara itu, spin photon qubits memancarkan foton dengan kemampuan membawa informasi yang dikodekan dalam spin elektron melintasi jarak yang jauh.

Now, to form these special qubits that can help support a secure quantum network precisely, the study utilized an ultrafast laser capable of emitting energy pulses in mere femtoseconds—each pulse as brief as a quadrillionth of a second, targeted to an area no larger than a dust particle.

Dengan memeriksa sinyal optik (fotoluminesensi) dari color centers yang dihasilkan menggunakan detektor inframerah dekat dengan tujuan mengkarakterisasikannya, tim menemukan sebuah Ci center, yang merupakan emitor kuantum. Ci center memiliki struktur sederhana dan sifat spin yang menjanjikan sekaligus stabil pada suhu kamar, menjadikannya kandidat spin photon qubit yang cukup mengesankan yang memancarkan foton dalam pita telekomunikasi atau frekuensi. Menurut Jhuria:

“Kami tahu dari literatur bahwa Ci dapat dibentuk dalam silikon, tetapi kami tidak mengharapkan dapat benar‑benar membuat kandidat spin photon qubit baru ini dengan pendekatan kami.” 

Menariknya, meningkatkan intensitas laser femtosekon saat memproses silikon dalam kehadiran hidrogen juga dapat meningkatkan mobilitas hidrogen. Hal ini, pada gilirannya, mempasifkan color centers yang tidak diinginkan sambil meninggalkan kisi silikon tidak rusak.

Analisis teoretis juga mengkonfirmasi observasi eksperimen bahwa kecerahan Ci color center dapat ditingkatkan secara signifikan dalam kehadiran hidrogen. Seperti yang dijelaskan Jhuria, pulsa laser tidak hanya dapat mengeluarkan tetapi juga mengembalikan atom hidrogen, “memungkinkan pembentukan qubit optik yang diinginkan di lokasi yang tepat.” 

Membuat color centers secara andal hanyalah permulaan; kini, tim ingin membuat berbagai qubit berkomunikasi satu sama lain dan melihat mana yang berkinerja terbaik. 

“Kemampuan untuk membentuk qubit di lokasi yang dapat diprogram dalam material seperti silikon yang tersedia secara skala besar merupakan langkah menarik menuju jaringan dan komputasi kuantum yang praktis.”

– Cameron Geddes, Direktur Divisi ATAP

Teknik ini selanjutnya akan digunakan untuk mengintegrasikan qubit optik ke dalam perangkat kuantum seperti waveguide serta menemukan kandidat spin photon qubit baru dengan properti yang dioptimalkan untuk aplikasi tertentu.

Pendekatan Baru untuk Mencapai Komputasi Kuantum: Bekerja dengan Molekul

Bidang komputasi kuantum telah mendapatkan dorongan signifikan selama bertahun‑tahun, dengan peneliti terus‑menerus mencari teknik baru untuk mewujudkannya. Manipulasi molekul organik adalah bidang yang dipelajari untuk potensi aplikasinya dalam komputasi kuantum. 

Tim di TU Graz menyelidiki cara merangsang molekul yang kompeten menggunakan pulsa cahaya inframerah untuk menciptakan medan magnet kecil. Jika teknik ini berhasil dikembangkan lebih lanjut dalam eksperimen, ia bahkan dapat dimanfaatkan dalam sirkuit komputer kuantum.

Hal ini karena manipulasi selektif cahaya inframerah sebenarnya memungkinkan pengendalian arah dan kekuatan medan magnet. Melakukan hal ini mengubah molekul menjadi saklar optik presisi tinggi, yang kemudian bahkan dapat digunakan untuk membangun sirkuit bagi komputer kuantum, menurut Andreas Hauser dari Institut Fisika Eksperimental di TU Graz.

While interactions between molecular vibrations and spin magnetism are well-documented in microwave spectroscopy, this study proposes methods to actively excite molecular vibrations that generate a magnetic field at targeted locations.

Merangsang Molekul dengan Laser Inframerah untuk Membentuk Medan Magnet

Ketika disinari dengan cahaya inframerah, molekul mulai bergetar karena pasokan energi. Memanfaatkan fenomena ini sebagai titik awal, para fisikawan mulai menyelidiki apakah getaran tersebut dapat, pada kenyataannya, digunakan untuk menghasilkan medan magnet.

Untuk perhitungan mereka, Hauser bersama timnya menggunakan metalofthalosianin sebagai contoh. Tim menemukan bahwa karena simetri tinggi dari molekul pewarna aromatik planar berbentuk cincin ini, mereka menghasilkan medan magnet kecil dalam rentang nanometer (< 1 nm) ketika terkena pulsa inframerah. Berdasarkan hal ini, mengukur kekuatan medan yang rendah namun terlokalisasi secara tepat melalui spektroskopi resonansi magnetik nuklir seharusnya dapat dilakukan.

Selain mengacu pada pekerjaan dari masa awal spektroskopi laser, tim juga menggunakan teori struktur elektron modern pada superkomputer untuk menghitung bagaimana molekul makrosiklik fthalosianin berperilaku ketika terkena cahaya melalui cahaya inframerah yang terpolarisasi secara melingkar. 

Tim menemukan bahwa gelombang cahaya terpolarisasi melingkar mengexcite dua getaran molekuler secara simultan pada sudut tegak lurus satu sama lain. Mengaitkan hal ini dengan teknik rumba, Hauser menjelaskan:

“Kombinasi yang tepat antara maju‑mundur dan kiri‑kanan menciptakan sebuah loop kecil yang tertutup. Dan gerakan melingkar setiap inti atom yang terpengaruh ini sebenarnya menciptakan medan magnet, tetapi hanya sangat lokal, dengan dimensi dalam rentang beberapa nanometer.” 

Namun semua ini masih bersifat teoritis. Tim kini akan bekerja untuk membuktikan bahwa medan magnet molekuler dapat dihasilkan secara terkendali secara eksperimental sehingga dapat benar‑benar dimanfaatkan. 

Untuk eksperimen, mereka perlu mengidentifikasi substrat yang berinteraksi minimal dengan proses yang ditargetkan karena aplikasi mendatang memerlukan penempatan molekul fthalosianin pada permukaan. Melakukan hal itu, bagaimanapun, mengubah kondisi fisik, yang kemudian memengaruhi eksitasi yang dihasilkan oleh cahaya dan karakteristik medan magnet.

Jadi, sebelum dapat benar‑benar diuji dalam eksperimen, tim harus terlebih dahulu menghitung interaksi antara fthalosianin yang diendapkan, cahaya inframerah, dan material pendukung. Jika eksperimen mengonfirmasi perubahan yang diprediksi dalam konstanta perisai magnetik, studi tersebut menyatakan, hal ini dapat dianggap sebagai pengukuran pertama medan magnet yang diciptakan secara vibrasional, dengan resolusi intramolekuler. 

Klik di sini untuk mempelajari Heron & Condor, kemajuan terbaru dalam komputasi kuantum.

Perusahaan yang Mendorong Bidang Komputasi Kuantum

Ada beberapa perusahaan, seperti Microsoft, Intel, dan D-Wave, yang sedang bekerja untuk memajukan komputasi kuantum. IBM adalah nama terkemuka yang telah fokus pada komputasi kuantum selama bertahun‑tahun. Baru-baru ini, mereka bermitra dengan National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) Jepang untuk membantu pihak tersebut menghasilkan komputer kuantum yang berisi 10.000 qubit sebelum dekade ini berakhir. Jadi, di tengah semua perkembangan ini, mari kita lihat lebih dalam beberapa nama penting lainnya di sektor ini:

#1. Google 

Raksasa teknologi ini telah banyak berupaya membangun komputer kuantum selama bertahun‑tahun terakhir. Pada tahun 2019, Google menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa komputer kuantum dapat menjalankan algoritma yang tidak mungkin ditangani oleh superkomputer konvensional.

Tahun lalu, prosesor kuantum Sycamore milik Google dipresentasikan dengan 70 qubit, lonjakan dari versi sebelumnya yang memiliki 53 qubit. Ini membuatnya sekitar 241 juta kali lebih cepat dan lebih kuat dibandingkan model sebelumnya. Komputer kuantum baru Google, sementara itu, mensimulasikan perilaku magnet dengan detail tinggi dan dapat membantu kita memperoleh pemahaman yang lebih dalam tentang magnetisme.

Terkait komputasi kuantum, Google menggunakan pendekatan full stack, yang mencakup integrasi mulus antara komponen perangkat keras dan perangkat lunak. Perusahaan saat ini menjalankan kompetisi global selama 3 tahun dengan dana $5 juta yang disebut XPRIZE Quantum Applications untuk memajukan bidang algoritma kuantum.

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $2,2 triliun, saham Google diperdagangkan pada $177,08, naik 26,88% YTD. Perusahaan memiliki EPS (TTM) sebesar 6,52, P/E (TTM) sebesar 27,18, dan dividen yield sebesar 0,45%. Untuk Q1 2024, perusahaan melaporkan pendapatan sebesar $80,5 miliar, naik 15% YoY, sementara margin operasinya meningkat menjadi 32%.

#2. Dell 

Perusahaan teknologi ini juga telah mulai mengambil langkah konkret dalam komputasi kuantum. Baru-baru ini, Dell memperkenalkan platform hibrida klasik/kuantum yang dikembangkan bersama IonQ. Mereka juga mengumumkan kolaborasi dengan Aramco untuk mengeksplorasi kemajuan dalam komputasi kuantum, AI, dan edge computing. Bersama-sama, Aramco dan Dell bertujuan mengatasi tantangan kompleks di bidang optimasi energi, pemodelan cuaca, ilmu material, dan pemeliharaan prediktif melalui komputasi kuantum.

Menurut Catherine Doyle, Managing Director Dell Technologies Ireland, komputasi kuantum juga akan membantu kemajuan AI karena “akan menjadi terjalin dalam waktu dekat.”

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $100,74 miliar, saham Dell saat ini diperdagangkan pada $144,50, naik 85,66% YTD. Perusahaan memiliki EPS (TTM) sebesar 4,36, P/E (TTM) sebesar 32,55, dan dividen yield sebesar 1,25%. Untuk Q1 2024, perusahaan melaporkan pendapatan sebesar $22,2 miliar dan laba bersih $60 juta.

Kesimpulan

Komputasi kuantum telah menjadi bidang yang semakin diminati oleh peneliti, organisasi, dan pemerintah. Karena kemampuannya menawarkan kecepatan tinggi, keamanan yang ditingkatkan, efisiensi lebih, simulasi akurat, dan analisis yang lebih baik, wajar bahwa terdapat peningkatan fokus bersama dengan penelitian dan investasi yang berkelanjutan, yang akhirnya dapat membuat komputasi kuantum menjadi kenyataan dan menemukan aplikasinya di berbagai sektor.

Klik di sini untuk mempelajari keadaan terkini komputasi kuantum.