Mungkinkah Berlian Membuka Qubit yang Lebih Baik untuk Komputasi Kuantum?

Menggunakan Berlian untuk Komputasi Kuantum

Berbeda dengan komputer biasa yang menggunakan bit (0 & 1), komputer kuantum menggunakan “qubit”. Qubit dapat berada dalam banyak keadaan secara bersamaan berkat dua sifat kuantum: superposisi dan entanglement.

• Superposisi memungkinkan qubit mewakili 0 dan 1 pada saat yang sama, meningkatkan secara eksponensial data yang dapat diproses dibandingkan bit klasik.
• Entanglement menghubungkan qubit sehingga keadaan satu qubit dapat memengaruhi qubit lain secara instan, bahkan pada jarak yang sangat jauh.

Properti‑properti ini memungkinkan QPU menyelesaikan masalah yang sangat kompleks jauh lebih cepat daripada komputer klasik dengan menjelajahi banyak solusi secara bersamaan.

“Keunggulan qubit adalah mereka dapat menyimpan jauh lebih banyak informasi dibandingkan bit biasa. Ini berarti mereka juga dapat memberi kita jauh lebih banyak informasi tentang lingkungan mereka, menjadikannya sangat berharga sebagai sensor, misalnya.”

Alastair Stacey- Managing principal research physicist and head of quantum materials and devices at PPPL.

Namun, qubit sangat rapuh, dan mengukur sifat‑sifatnya bukanlah tugas yang mudah.

Bagaimana jika kita justru mengandalkan salah satu material paling keras di bumi – berlian – untuk melakukan tugas pada komputer paling canggih kita? Inilah visi peneliti di Princeton University, yang baru‑baru ini menerbitkan artikel di Diamond And Related Materials dengan judul “Model kimia kuantum reaksi permukaan dan model kinetik pertumbuhan berlian: Pengaruh radikal CH₃ dan molekul C₂H₂ pada CVD suhu rendah¹”.

Hal ini melengkapi karya peneliti lain di University of Melbourne dan Princeton University, yang dipublikasikan dengan judul “Metode untuk Mempertahankan Pusat Warna dengan Terminasi Hidrogen pada Berlian²”.

Menumbuhkan Berlian Sesuai Permintaan

Berlian, yang secara historis hanya berupa batu alam, kini sebagian besar diproduksi dari karbon mentah. Namun, proses ini memerlukan panas dan tekanan yang sangat tinggi, sehingga tidak dapat digabungkan dengan material lain seperti silikon yang dipakai pada chip komputer. Untuk itu, diperlukan produksi berlian pada suhu rendah.

Beberapa metode telah dieksplorasi, seperti penggunaan asetilen dan teknik yang disebut “plasma‑enhanced chemical vapor deposition”.

Sumber: PPPL

Masalahnya adalah meskipun metode ini dapat menumbuhkan berlian mikroskopik, ia juga menghasilkan banyak jelaga, yang dapat menumpuk di atas berlian dan menghambat kinerja optik, sensor, serta chip. Sampai kini belum jelas mengapa jelaga terbentuk alih‑alih berlian.

Suhu “Goldilocks” & Hidrogen

Para peneliti menemukan bahwa ada suhu tepat di mana proses menghasilkan berlian. Di atas suhu kritis ini, asetilen berkontribusi terutama pada pertumbuhan berlian. Di bawah suhu kritis, ia berkontribusi terutama pada pertumbuhan jelaga.

Sumber: Diamond And Related Materials

Faktor lain adalah aktivitas atom hidrogen di dekat permukaan berlian. Dengan lebih banyak hidrogen di permukaan, lebih banyak berlian dapat terbentuk, bahkan pada suhu yang lebih rendah.

“Atom hidrogen tidak secara langsung memberi bahan bakar bagi pertumbuhan berlian, tetapi disosiasi hidrogen, atau pemecahan, sangat penting untuk mengubah metana menjadi asetilen dan mengangkut hidrogen atomik ke permukaan pertumbuhan berlian. Kedua hal ini penting bagi pertumbuhan berlian,”

Alexander Khrabry – Princeton University Research Scholar

Bersama, wawasan tentang pembentukan berlian ini membuka jalan untuk secara andal menciptakan berlian mikroskopik langsung di dalam semikonduktor silikon tanpa merusak material lain dengan suhu tinggi atau menghasilkan jelaga yang tidak diinginkan.

Berlian Kuantum

Berlian sederhana yang hanya terbuat dari karbon dapat memiliki beberapa aplikasi dalam optik dan sensor. Namun, bentuk berlian yang lebih maju dapat menjadi lebih berguna.

Misalnya, berlian kuantum dibuat ketika beberapa atom karbon yang membentuk berlian digantikan oleh atom lain, seperti nitrogen, dan beberapa atom karbon lainnya dihilangkan. Ini menciptakan apa yang disebut nitrogen‑vacancy (NV).

Dalam berlian semacam itu, elektron di dalam mulai mengikuti aturan kuantum alih‑alih fisika klasik, yang dapat digunakan untuk membangun qubit.

“Elektron dalam material ini tidak berperilaku sesuai hukum fisika klasik seperti partikel yang lebih berat. Sebaliknya, seperti semua elektron, mereka berperilaku sesuai hukum fisika kuantum.”

Alastair Stacey- Managing principal research physicist and head of quantum materials and devices at PPPL.

Menyempurnakan Resep Berlian

Sampai kini, metode penggunaan plasma untuk menciptakan berlian masih jauh dari presisi. Metode ini banyak mengandalkan coba‑coba, karena teori tentang apa yang sebenarnya terjadi di permukaan berlian belum dipahami dengan baik.

Idealnya, plasma juga dapat digunakan untuk menambahkan lapisan monatomik hidrogen di atas berlian. Namun, pada berlian kuantum, suhu tinggi akan menghancurkan nitrogen‑vacancy.

Jadi para peneliti membangun sistem analitis yang rumit (menggunakan spektroskopi fotoluminesensi) untuk menilai apa yang paling efektif dalam menciptakan lapisan hidrogen pada berlian NV.

Sumber: Advanced Materials Interface

Mereka menemukan bahwa 2 metode baru dapat digunakan, meskipun masing‑masing masih memiliki kelemahan.

Sumber: Advanced Materials Interface

• Forming gas annealing, yang menggunakan campuran molekul hidrogen dan gas nitrogen, berhasil tetapi memerlukan hidrogen sangat murni tanpa oksigen, sesuatu yang sulit dicapai pada suhu rendah.
• Cold plasma termination, yang menggunakan plasma hidrogen secara tidak langsung, tidak merusak pusat NV dan lebih mudah diterapkan, namun menghasilkan lapisan hidrogen pada berlian dengan kualitas lebih rendah.

“Hal ini menyoroti kompromi antara kualitas permukaan dan sifat NV yang harus diseimbangkan dalam aplikasi masa depan. Misalnya, dalam proyek sensor biomolekuler, sangat penting agar NV tetap terjaga dekat permukaan.”

Daniel McCloskey – Researcher at the University of Melbourne. 

Secara keseluruhan, temuan‑temuan ini membuka jalan bagi beberapa aplikasi baru yang sebelumnya sulit atau tidak mungkin untuk berlian:

• Produksi langsung pada semikonduktor silikon, mengintegrasikan berlian langsung ke dalam sirkuit, sensor, dan transistor.
• Produksi berlian kuantum menjadi qubit fungsional, termasuk lapisan hidrogen yang disetel halus pada permukaan berlian.

Komputer Kuantum Baru

Komputer kuantum sejauh ini dibangun dengan metode‑metode yang dikenal dari taktik manufaktur tradisional industri semikonduktor. Namun, dengan teknologi kuantum yang sangat berbeda dari komputasi biasa, masuk akal bahwa material baru mungkin lebih cocok daripada silikon tradisional.

Ini dapat mencakup berlian, yang suatu hari memungkinkan komputasi kuantum dijalankan pada suhu ruang, sesuatu yang tidak hanya akan menurunkan biaya secara drastis tetapi juga membantu menciptakan komputer kuantum yang lebih besar.

“Membuat simulator kuantum dengan lebih dari 50 qubit dan komputer kuantum suhu ruang membuka pintu untuk meningkatkan jumlah qubit, seperti 100 atau 1000, yang akan menjadi pengubah permainan bagi bidang seperti kriptografi, AI, dan ilmu material.

Kemampuan ini akan memungkinkan ilmuwan menemukan obat penyelamat hidup lebih cepat, memecahkan masalah optimasi yang sulit, atau mengembangkan teknologi hemat energi dengan lebih efisien.”

Martin Koppenhöfer – Project coordinator at SPINUS

Selain berlian, material inovatif baru lainnya seperti resonator nanomekanik piezoelektrik berbahan aluminium nitrat yang dapat juga digunakan untuk sensor kuantum atau transduser kuantum.

Secara keseluruhan, sangat mungkin bahwa material baru yang maju akan menjadi alternatif yang solid bagi silikon dan mendorong janji komputasi kuantum jauh melampaui apa yang dapat kita bayangkan saat ini.

Berinvestasi dalam Komputasi Kuantum

Komputasi kuantum baru saja mulai, tetapi sudah menarik perhatian setiap perusahaan komputasi besar yang selama ini memimpin revolusi silikon.

Ia mungkin selamanya terbatas pada aplikasi niche dan tidak akan banyak muncul di komputer kita, tetapi tetap dapat menjadi instrumen penting dalam pemodelan fisika, biologi, ilmu material, kriptografi, dan aplikasi militer.

Anda dapat berinvestasi di perusahaan komputasi kuantum melalui banyak broker, dan di sini, pada securities.io, kami menyajikan rekomendasi broker terbaik di AS, Kanada, Australia, Inggris, serta banyak negara lainnya.

Jika Anda tidak tertarik memilih perusahaan tertentu, Anda juga dapat mempertimbangkan ETF seperti ProShares Nanotechnology ETF (TINY) atau WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) (WT )  yang akan memberikan eksposur yang lebih terdiversifikasi untuk memanfaatkan saham komputasi kuantum & nanoteknologi.

Atau Anda dapat melihat daftar “10 Saham Nanoteknologi Teratas” dan “5 Perusahaan Komputasi Kuantum Terbaik”.

Perusahaan Komputasi Kuantum

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) adalah kekuatan utama di balik komersialisasi komputer mainframe pertama.

Namun, baru‑baru ini ia tertinggal dalam volume produksi dibandingkan raksasa teknologi lain seperti Apple (AAPL ), TSMC (TSM ), dan NVIDIA (NVDA )

Meskipun begitu, IBM berada di garis depan pengembangan komputer kuantum. Misalnya, ia mengembangkan komputer kuantum 127‑qubit “Eagle”, yang diikuti oleh sistem 433‑qubit yang dikenal sebagai “Osprey”.

Dan kini diikuti oleh “Condor”, prosesor kuantum superkonduktor 1.121 qubit berbasis teknologi gerbang cross‑resonance, bersama dengan “Heron”, prosesor kuantum yang berada di ujung terdepan bidang ini.

Komputer kuantum dapat memperoleh manfaat dari kontrol magnetik yang lebih baik, meningkatkan stabilitas dan keandalan qubit, yang penting untuk daya pemrosesan.

Demikian pula, kemajuan dalam superkonduktor, yang bergantung pada medan magnet terkontrol, dapat menghasilkan transmisi energi dan sistem pendinginan yang lebih efisien, terutama pada suhu yang lebih tinggi.

IBM terlibat dalam sebagian besar inovasi mutakhir di bidang komputasi dan industri semikonduktor. Ini termasuk material organik konduktif, komputasi neuromorfik, fotonik, dll.

Sejauh ini, IBM telah menjadi semacam “perusahaan paten” dengan keahlian dalam mengembangkan metode komputasi baru dan melisensikannya ke industri.

Sampai kini, tampaknya IBM sangat bertekad untuk memegang sebanyak mungkin paten kunci dalam semua metode komputasi non‑silikon yang dapat ia dapatkan, meniru kesuksesan masa lalunya ketika berkontribusi secara besar‑besar pada pengembangan industri semikonduktor menjadi raksasa seperti sekarang.

Referensi Studi:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Model kimia kuantum reaksi permukaan dan model kinetik pertumbuhan berlian: Pengaruh radikal CH₃ dan molekul C₂H₂ pada CVD suhu rendah. Diamond and Related Materials, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, D. J., Stacey, A., de Leon, N. P., & Kaganovich, I. D. (2024). Metode untuk mempertahankan pusat warna dengan terminasi hidrogen pada berlian. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}