Lompatan Kuantum: Chip Hibrida Kuantum-Fotonik Pertama di Dunia

Dengan investasi yang melambung dan terobosan yang berlipat ganda, teknologi kuantum kini lebih dekat daripada sebelumnya untuk menjadi kenyataan. 

Menurut McKinsey, tiga pilar utama teknologi kuantum, yang meliputi komputasi kuantum, komunikasi kuantum, dan sensing kuantum, bersama-sama dapat menghasilkan hingga $97 miliar dalam pendapatan di seluruh dunia dalam dekade berikutnya. 

Teknologi ini memanfaatkan prinsip mekanika kuantum untuk menciptakan teknologi inovatif yang melampaui kemampuan teknologi klasik.

Salah satu cara menjanjikan untuk mengembangkan teknologi kuantum adalah melalui fotonik. Hal ini disebabkan oleh kompatibilitas alaminya dengan interkoneksi optik untuk distribusi keterikatan, ketahanannya terhadap decoherence pada suhu ruang, dan kemampuannya untuk diperkecil menjadi format skala chip.

Fotonik adalah ilmu tentang cahaya (foton) dan berurusan dengan generasi, deteksi, serta manipulasi cahaya untuk berbagai aplikasi.

Untuk sistem kuantum-fotonik, fotonik silikon menawarkan platform paling dapat diskalakan. Mereka dapat dibangun menggunakan teknik fabrikasi semikonduktor yang dikembangkan dalam industri mikroelektronik complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS), yang sudah memproduksi chip secara massal.

Meskipun fotonik silikon dapat segera digunakan untuk menciptakan sejumlah besar qubit fisik, yang diperlukan untuk mencapai pemrosesan informasi kuantum yang berguna dalam perangkat optik miniatur untuk menghasilkan dan memanipulasi keadaan kuantum cahaya, membangun sirkuit terintegrasi kuantum-fotonik silikon ini sebenarnya menimbulkan tantangan serius.

Masalah-masalah tersebut terkait dengan crosstalk termal, nonlinieritas pembawa bebas dan pemanasan sendiri, serta kebutuhan untuk mengelola sensitivitas ekstrem terhadap setiap variasi suhu dan proses. 

Masalahnya, agar perangkat fotonik kuantum silikon berfungsi dengan baik, mereka memerlukan pemantauan terus-menerus serta kontrol oleh sirkuit elektronik. Oleh karena itu, elektronik besar di luar chip telah digunakan, yang sebagian mengatasi masalah, namun hal itu juga mengorbankan banyak manfaat dari platform skala chip. 

Untuk mewujudkan potensi penuh fotonik silikon sebagai platform pemrosesan informasi kuantum, kita harus menyelesaikan bottleneck kontrol klasik.

Jadi, tim peneliti lintas disiplin telah memperkenalkan sistem kuantum elektronik-fotonik pada chip. Sistem ini diproduksi di foundry mikroelektronik CMOS komersial 45-nm.

Ini adalah chip hibrida pertama di dunia yang menggabungkan elektronik, fotonik, dan daya kuantum. 

Penggunaan CMOS membuat penelitian ini semakin patut dipuji. Teknologi semikonduktor ini adalah landasan elektronik modern. Perusahaan seperti Samsung, Sony, Intel (INTC ), dan TSMC menggunakannya untuk memproduksi elektronik secara massal.

Sementara itu, node 45 nm terbukti andal serta biaya-efektif. Ia juga kompatibel dengan infrastruktur luas manufaktur silikon.

Pendekatan kontrol modular yang terintegrasi penuh mereka, menurut tim, “membuka jalan bagi fotonik kuantum silikon untuk mencapai skala besar yang diperlukan bagi generasi sistem informasi kuantum masa depan.”

Kolaborasi Interdisipliner Mendorong Teknologi Kuantum Lebih Dekat ke Realitas

Studi terbaru, yang menandai terobosan besar dalam teknologi kuantum, dilakukan oleh peneliti dari UC Berkeley, Boston University, dan Northwestern University.

“Jenis kolaborasi interdisipliner yang diperlukan dalam pekerjaan ini tepatlah yang dibutuhkan untuk memindahkan sistem kuantum dari laboratorium ke platform yang dapat diskalakan. Kami tidak akan dapat melakukannya tanpa upaya gabungan dalam elektronik, fotonik, dan pengukuran kuantum.”

– Prem Kumar, profesor teknik listrik dan komputer di Northwestern

Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation. Dipublikasikan di Nature Electronics, studi tersebut merinci sistem yang berhasil mengintegrasikan sumber cahaya kuantum dan elektronik penstabil ke dalam satu chip silikon, diproduksi menggunakan proses semikonduktor standar 45-nm.

Kombinasi ini memungkinkan chip menghasilkan aliran pasangan foton terkorrelasi secara terus-menerus, yang merupakan dasar berbagai aplikasi kuantum.

Setiap chip silikon memiliki rangkaian “pabrik cahaya kuantum”, total dua belas sumber cahaya kuantum independen yang diberdayakan oleh cahaya laser. Mereka juga bergantung pada resonator mikroring untuk menghasilkan pasangan foton. Setiap sumber ini berukuran kurang dari satu milimeter di setiap arah.

Ini menandai langkah besar menuju pengembangan sistem kuantum yang lebih kompleks yang terdiri dari beberapa chip yang terhubung dan produksi massal chip “pabrik cahaya kuantum”. Menurut penulis senior studi Miloš Popović, yang merupakan associate professor teknik listrik dan komputer di BU:

“Komputasi, komunikasi, dan sensing kuantum berada pada jalur bertahun‑dekade dari konsep ke realitas. Ini adalah langkah kecil pada jalur tersebut—tetapi penting, karena menunjukkan bahwa kita dapat membangun sistem kuantum yang dapat diulang dan dapat dikontrol di foundry semikonduktor komersial.”

Saat ini, pada tahap awal pengembangan, teknologi kuantum berbeda dari komputer yang ada, yang menggunakan bit klasik yang bernilai nol atau satu, dengan memanfaatkan bit kuantum (qubit).

Qubit ini dapat berada dalam superposisi kedua keadaan secara bersamaan, memungkinkan komputer kuantum melakukan perhitungan secara paralel, yang pada gilirannya menghasilkan percepatan besar. Di sini, superposisi adalah keberadaan sistem kuantum dalam banyak keadaan sekaligus.

Membongkar Kode Skalabilitas dengan Penyetelan Real-Time

Sekarang, ada berbagai cara teknologi kuantum dapat diterapkan, dan fotonik adalah salah satunya, di mana aliran cahaya terkontrol, foton tunggal, atau pasangan foton terikat diperlukan untuk menjalankan fungsinya. 

Aliran cahaya kuantum yang stabil ini dihasilkan menggunakan perangkat seperti resonator mikroring dan quantum dot.

Resonator mikroring adalah perangkat fotonik yang dirancang dengan presisi yang memungkinkan generasi keadaan kuantum cahaya pada chip. Ini merupakan elemen penting dalam fotonik silikon, karena menawarkan cara yang sangat efisien untuk mengarahkan cahaya pada skala nanometer. Hal ini dicapai dengan melingkarkan cahaya dalam lingkaran untuk mencapai panjang gelombang target (resonansi).

Untuk menghasilkan aliran cahaya kuantum berupa pasangan foton terkorrelasi, resonator mikroring perlu disetel sinkron dengan cahaya laser yang masuk yang memberi daya pada setiap pabrik cahaya kuantum di chip. Itu juga digunakan sebagai bahan bakar proses generasi.

Namun, resonator sangat sensitif terhadap variasi suhu dan proses manufaktur. Hal ini dapat menyebabkan mereka tidak sinkron dan mengganggu generasi cahaya kuantum yang stabil.

Untuk mencegah gangguan pada generasi cahaya ketika resonator terdorong keluar sinkron, tim membangun sistem terintegrasi yang secara aktif menstabilkan sumber cahaya kuantum pada chip, khususnya resonator yang menghasilkan aliran foton terkorrelasi. Sumber cahaya ini ada di setiap chip dan beroperasi secara paralel. 

“Yang paling membuat saya bersemangat adalah kami menanamkan kontrol langsung pada chip — menstabilkan proses kuantum secara real-time. Itu adalah langkah krusial menuju sistem kuantum yang dapat diskalakan.”

– Anirudh Ramesh, mahasiswa PhD di Northwestern yang memimpin pengukuran kuantum

Menariknya, sensitivitas ekstrem resonator mikroring sebenarnya merupakan dasar sumber cahaya kuantum, alasan utama mengapa aliran cahaya kuantum dapat dihasilkan secara efisien dan dalam area chip yang minimal. Namun, bahkan perubahan suhu kecil dapat secara signifikan memengaruhi proses generasi pasangan foton.

Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti menanamkan sistem kontrol real-time langsung ke dalam chip. Mereka mengintegrasikan fotodioda di dalam setiap resonator dengan cara khusus, memungkinkan mereka memantau kinerja, khususnya penyelarasan dengan laser yang masuk, sambil mempertahankan generasi cahaya kuantum.

Sementara itu, pemanas miniatur dan logika kontrol pada chip terus menyesuaikan resonansi sebagai respons terhadap drift. Jadi, meskipun kondisi berfluktuasi, loop umpan balik bawaan ini mempertahankan proses generasi cahaya kuantum, membuat perangkat berperilaku secara dapat diprediksi.

Penyetelan mandiri memungkinkan semua dua belas resonator bekerja bersama secara sinkron sempurna, tanpa memerlukan peralatan stabilisasi yang besar. Ini merupakan poin penting, karena merupakan persyaratan utama untuk meningkatkan skala sistem kuantum. Menurut Imbert Wang, mahasiswa PhD di Boston University yang memimpin desain perangkat fotonik:

“Tantangan utama dibandingkan pekerjaan kami sebelumnya adalah mendorong desain fotonik untuk memenuhi persyaratan ketat optik kuantum sambil tetap berada dalam batasan ketat platform CMOS komersial. Itu memungkinkan ko-desain elektronik dan optik kuantum sebagai sistem terpadu.”

Seluruh sistem diproduksi pada platform chip CMOS 45-nm komersial yang dikembangkan melalui kolaborasi antara BU, UC Berkeley, GlobalFoundries (GFS ), dan Ayar Labs. Startup Ayar Labs terlibat dalam menciptakan teknologi untuk chip yang menggunakan pulsa cahaya dan memperoleh pendanaan ventura sebesar $155 juta dari AMD Ventures, Intel Capital, dan Nvidia (NVDA ) dengan valuasi $1 miliar, yang “menyiapkan panggung untuk produksi massal.”

Proses manufaktur memungkinkan interkoneksi optik canggih untuk AI dan superkomputasi, dan kini sistem fotonik kuantum kompleks pada platform silikon yang dapat diskalakan.

– Daniel Kramnik, mahasiswa PhD di UC Berkeley yang memimpin desain chip, pengemasan, dan integrasi

Ketergantungan chip pada teknik yang sudah digunakan berarti tidak perlu menciptakan pengaturan baru, yang pada gilirannya membuka jalan bagi komputasi kuantum yang dapat diskalakan.

Berinvestasi dalam Sistem Kuantum 

Dunia teknologi kuantum berkembang pesat, semakin mendekati realitas setiap tahunnya. Di sini, International Business Machines (IBM ) termasuk di antara yang memimpin bidang ini, khususnya dalam komputasi kuantum. Baru-baru ini, peneliti dari IBM® dan startup kuantum Pasqal merilis sebuah white paper, di mana mereka merumuskan definisi keunggulan kuantum, bagaimana klaim tersebut dapat divalidasi secara ilmiah, dan cara mencapainya.

International Business Machines (IBM )

Bulan ini, IBM Quantum bahkan bekerja sama dengan Moderna untuk memodelkan struktur mRNA menggunakan simulasi kuantum. Untuk itu, mereka menggunakan 80 qubit dari prosesor IBM Quantum Heron, yang menjalankan algoritma khusus dengan tujuan “meningkatkan kesehatan manusia.”

“Kami percaya penting untuk mengeksplorasi setiap alat yang tersedia, termasuk komputasi kuantum, untuk mempercepat kemajuan kami hari ini, daripada menunggu teknologi sepenuhnya matang di masa depan.”

– Direktur ilmiah asosiasi Moderna untuk algoritma dan aplikasi kuantum, Alexey Galda

Bulan lalu, IBM juga membuat pengumuman besar bahwa mereka sedang membangun komputer kuantum skala besar pertama di dunia yang diharapkan akan diserahkan kepada klien pada tahun 2029.

Komputer kuantum fault-tolerant yang disebut IBM Starling akan 20.000 kali lebih kuat daripada komputer kuantum yang ada dan “akan memerlukan memori lebih dari satu kuindecilion superkomputer paling kuat di dunia.”

Menurut roadmap perusahaan, kedatangan Starling akan mengikuti beberapa tonggak, termasuk demonstrasi pertama ‘keunggulan kuantum’ tahun depan, di mana komputer kuantum akan mulai melampaui komputer klasik dalam aplikasi komputasi praktis.

Namun sebelum itu, IBM Quantum Loon akan diluncurkan akhir tahun ini bersama chip Nighthawk-nya. Dan pada suatu waktu tahun depan, IBM Quantum Kookaburra akan mengikuti, menampilkan prosesor modular pertama perusahaan untuk menyimpan dan memproses informasi terenkode. Kemudian, IBM Quantum Cockatoo akan diluncurkan tahun berikutnya, dengan arsitektur yang “akan menghubungkan chip kuantum bersama seperti node dalam sistem yang lebih besar, menghindari kebutuhan membangun chip yang secara tidak praktis besar.”

Rilis ini pada akhirnya akan mengarah pada peluncuran Starling sebelum dekade berakhir. Inovasi ini berharap dapat menjalankan “100 juta operasi kuantum menggunakan 200 qubit logis.”

Dengan Starling, IBM bertujuan menyelesaikan tantangan dunia nyata, sesuatu yang belum dicapai teknologi kuantum. Menurut CEO-nya, Arvind Krishna, komputer kuantum mereka juga akan “membuka kemungkinan besar bagi bisnis.”

Menurut roadmap-nya, tujuan komputasi kuantum IBM melampaui Starling. Blue Jay akan menjadi ISA komputasi kuantum fault-tolerant generasi kedua, yang diperkirakan tidak akan hadir hingga setelah 2033. Pada saat itu, platform komputasi dapat diskalakan hingga 1 miliar gerbang dan 2.000 qubit logis.

Mengenai kinerja pasar IBM dengan kapitalisasi pasar $262 miliar, yang merupakan penyedia layanan hybrid cloud global, AI, dan keahlian konsultasi, sahamnya saat ini diperdagangkan di atas $265, naik 28,29% YTD. Perusahaan membayar dividen sebesar 2,38%.

Baru-baru ini, perusahaan melaporkan hasil Q2 2025, yang menunjukkan peningkatan pendapatan sebesar 8% menjadi $17 miliar, $6,1 miliar kas bersih dari aktivitas operasional, dan arus kas bebas sebesar $4,8 miliar.

“Kami sekali lagi melampaui harapan untuk pendapatan, laba, dan arus kas bebas pada kuartal ini. IBM tetap sangat berbeda di pasar karena inovasi mendalam dan keahlian domain kami, keduanya penting dalam membantu klien menerapkan dan menskalakan AI. Portofolio AI generatif kami terus mempercepat dan kini mencapai lebih dari $7,5 miliar.”

– CEO Krishna

Berita dan Perkembangan Saham International Business Machines (IBM) Terbaru

Kesimpulan

Teknologi kuantum berkembang pesat, beralih dari konsep menjadi industri yang dapat diskalakan, didorong oleh terobosan seperti chip hibrida kuantum-elektronik-fotonik.

Dengan mengintegrasikan sumber cahaya kuantum, elektronik penstabil, dan manufaktur yang dapat diskalakan ke dalam satu chip, studi ini secara optimal menciptakan cetak biru untuk masa depan kuantum. Dan seiring sistem fotonik kuantum berkembang, chip hibrida terbaru dapat menjadi fondasi teknologi seperti sensing canggih, jaringan komunikasi aman, dan komputasi kuantum.

Dengan IBM membangun prosesor kuantum masif, masa depan pasti menarik, dengan dekade berikutnya tampak siap menandai titik di mana komputasi kuantum akhirnya memberikan dampak dunia nyata.

Klik di sini untuk daftar perusahaan komputasi kuantum teratas tahun 2025.

Referensi:

1. Kramnik, D.; Wang, I.; Ramesh, A.; Ghorbani, M.; Patel, V.; Lin, Y.; Choi, H.; Liu, Q.; Das, R.; Jensen, T.; Nakamura, S.; Lee, J.; Bowers, J. E.; Faraon, A.; Englund, D.; Painter, O.; Vučković, J. Stabilisasi Umpan Balik yang Dapat Diskalakan dari Sumber Cahaya Kuantum pada Chip CMOS. Nature Electronics, 8, (2025). Diterbitkan online 14 Juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Lanes, O.; Beji, M.; Corcoles, A. D.; Dalyac, C.; Gambetta, J. M.; Henriet, L.; Javadi-Abhari, A.; Kandala, A.; Mezzacapo, A.; Porter, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Dauphin, A.; Peropadre, B. Kerangka kerja untuk keunggulan kuantum. arXiv preprint arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). Diterbitkan online 14 Juli 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658