Chip Fotonik yang Dapat Diproduksi Massal Dapat Membuka Skalabilitas Kuantum

Insinyur Universitas Colorado di Boulder baru saja menemukan langkah kunci dalam adopsi komputasi kuantum — skalabilitas. Presisi ekstrem yang diperlukan untuk membuat perangkat kuantum belum dapat direproduksi secara besar-besaran, sehingga biayanya masih di luar jangkauan mayoritas orang.

Untungnya, situasi ini akan berubah dalam beberapa tahun mendatang karena perkembangan terbaru ini memanfaatkan metode fabrikasi CMOS tradisional untuk membuat chip kuantum yang stabil, jauh lebih kecil, dan terjangkau dibandingkan apa pun yang tersedia saat ini. Berikut yang perlu Anda ketahui.

Komputasi Kuantum vs. Komputasi Klasik: Perbedaan Fotonik

Berbeda dengan komputer tradisional, komputer kuantum tidak menggunakan bit dan chip tradisional. Sebaliknya, mereka mengandalkan superposisi kuantum dan qubit untuk menyelesaikan perhitungan. Salah satu cara paling populer untuk membangun komputer kuantum berpusat pada pemanfaatan modulasi fotonik optik.

Perangkat ini memungkinkan komputer kuantum memanfaatkan ion terperangkap atau atom netral sebagai qubit. Chip ini memungkinkan insinyur mengarahkan laser yang dapat disetel ke qubit, yang menyampaikan instruksi operasi untuk perhitungan melalui modulasi frekuensi.

Kendala Skalabilitas: Mengapa Produksi Massal Gagal

Ada beberapa masalah dengan metode manufaktur saat ini untuk komputer kuantum. Pada dasarnya, tidak ada metode produksi massal. Chip ini begitu sensitif dan presisi sehingga harus dibangun di laboratorium secara individual dalam kebanyakan kasus. Saat ini, metode perakitan mengandalkan insinyur yang merakit sebagian besar perangkat secara manual.

Selain itu, perangkat ini mengintegrasikan sinar laser berdaya tinggi untuk memberikan kemampuan penyetelan presisi pada banyak qubit. Oleh karena itu, mereka harus andal dan tahan panas, terutama mengingat komputer kuantum masa depan dapat menggunakan ribuan qubit.

Batas Faktor Bentuk

Chip kuantum saat ini terlalu besar untuk digunakan dalam kebanyakan aplikasi. Mereka memerlukan pendinginan kriogenik, jalur optik yang panjang, dan desain qubit yang terpisah-pisah. Pengaturan ini memang membantu mengurangi kebisingan, tetapi membuatnya sangat besar dibandingkan dengan chip komputer tradisional.

Selain itu, generasi komputer kuantum berikutnya akan menggunakan lebih banyak qubit, yang berarti komputer kuantum paling canggih saat ini masih hanya setetes dalam ember dibandingkan dengan apa yang akan tersedia secara publik dalam satu dekade atau lebih. Akibatnya, perangkat ini perlu diperkecil ke faktor bentuk yang wajar sebelum mencapai adopsi skala besar.

Panas Menghancurkan Keadaan Kuantum

Semua energi laser yang digunakan untuk berkomunikasi dengan qubit menjadi masalah lain, karena menghasilkan banyak panas. Panas selalu menjadi masalah bagi komputer, terlepas dari konfigurasi mereka. Namun, komputer kuantum bergantung pada pemeliharaan keadaan kuantum yang rapuh untuk melakukan perhitungan. Itulah mengapa mereka memerlukan pendinginan kriogenik. Akibatnya, panas dapat membuat perangkat ini tidak berfungsi.

Terobosan: Sirkuit Fotonik yang Kompatibel dengan CMOS

Studi “Modulasi fase akusto-optik pada frekuensi gigahertz dari cahaya tampak dalam sirkuit fotonik yang diproduksi dengan CMOS,” dipublikasikan¹ dalam jurnal Nature Communications, memperkenalkan pendekatan baru sepenuhnya untuk menghasilkan chip kuantum optik.

Proses baru ini dianggap oleh banyak orang sebagai langkah pertama menuju revolusi komputer fotonik. Perangkat ini, yang 100 kali lebih tipis daripada sehelai rambut, mengintegrasikan teknologi modular untuk menciptakan tingkat efisiensi dan stabilitas yang baru.

Modulator fase akusto-optik pada frekuensi gigahertz yang dirancang khusus ini menggabungkan transduser piezoelektrik dan gelombang fotonik, meminimalkan faktor bentuk sambil mempertahankan struktur pada skala panjang gelombang.

Modulator Fase Optik

Modulator fase optik yang ditingkatkan dapat mengendalikan cahaya laser menggunakan frekuensi gelombang mikro. Gelombang mikro menyebabkan cahaya menjadi terangsang dan bergetar miliaran kali per detik, memungkinkan penyetelan presisi, serta menambah stabilitas dan efisiensi. Secara khusus, modulator akusto-optik ini mengintegrasikan gelombang fotonik yang dipasang pada transduser piezoelektrik.

Fabrikasi CMOS Memungkinkan Produksi Massal

Untuk memenuhi persyaratan ukuran yang ketat, insinyur memutuskan membuat perangkat pada wafer 200 mm yang kemudian dipotong menjadi 120 chip berbeda. Proses ini menggunakan platform piezo-optomekanik aluminium nitrida-SiNx, memungkinkan insinyur memanfaatkan modulasi fase untuk menciptakan sideband pada frekuensi gigahertz pada input laser 730 nm.

Yang lebih mengesankan lagi, mereka mengandalkan teknik manufaktur chip standar untuk membuat perangkat, yang berarti mereka dapat diproduksi secara massal di masa depan, membuka pintu bagi akses komputasi kuantum yang lebih luas.

Ketika membahas pendekatan mereka, insinyur menyatakan bahwa fabrikasi CMOS adalah puncak teknologi yang dapat diskalakan dan penggunaan teknologi ini sebagai cara untuk membuat chip kuantum sangat penting bagi adopsi selanjutnya.

Secara khusus, insinyur membahas bagaimana teknologi ini telah memungkinkan banyak perangkat high-tech favorit Anda, termasuk smartphone, laptop, dan perangkat lain yang Anda andalkan setiap hari. Mereka menjelaskan bagaimana teknologi ini membantu penyebarannya dan bagaimana hal itu akan melakukan hal yang sama untuk perangkat berbasis kuantum di masa depan.

Sumber – Nature Communications

Operasi Dual-Mode: Optik dan Elektromekanik

Secara khusus, modulator fase optik dapat beroperasi dalam dua mode berbeda. Mode pertama adalah mode optik propagasi, yang memandu gelombang fotonik pada sirkuit. Strategi ini mendukung distribusi keterikatan, routing, dan koherensi, menjadikannya penting untuk sebagian besar operasi.

Mode kedua adalah resonansi mekanik mode pernapasan yang dapat diaktifkan secara listrik, yang bergantung pada gelombang mikro yang diterapkan pada nanostruktur, menciptakan aksi piezoelektrik. Gelombang mikro ini mengubah laju osilasi foton dan medan optik. Secara khusus, mode ini mendukung daya optik tinggi, menjadikannya ideal untuk komputasi kuantum tingkat lanjut.

Tolok Ukur Kinerja: Stabilitas & Efisiensi

Insinyur melakukan beberapa pengujian pada analyzer spektrum frekuensi radio untuk menguji output chip. Untuk melaksanakan tugas ini, tim memasang chip pada sebuah lengan yang memiliki sumber laser yang terhubung ke interferometer serat.

Ujung lain perangkat terhubung ke penggeser frekuensi akusto-optik (AOFS). Insinyur melewatkan cahaya melalui kedua ujung perangkat dan kemudian menggabungkannya kembali menggunakan coupler arah 50/50. Ini memungkinkan foton diarahkan ke analyzer spektrum, meningkatkan akurasi.

Chip baru mencapai rating daya optik 730 nm, yang melampaui target 500 mW yang ditetapkan oleh insinyur. Selain itu, tim berhasil menyetel geometri perangkat untuk lebih meningkatkan interaksi optomekanik. Pengujian ini mengungkapkan kedalaman modulasi mencapai 4,85 rad dengan hanya menggunakan gelombang mikro 80 mW pada 2,31 GHz.

Secara mengesankan, unit ini mencatat kehilangan frekuensi terendah di antara semua chip hingga saat ini. Secara khusus, insinyur mencatat bahwa chip baru ini 15 kali lebih stabil dan 100 kali lebih efisien dalam hal kebutuhan daya gelombang mikro dibandingkan chip kuantum yang saat ini digunakan.

Keunggulan Utama Fabrikasi CMOS

Ada banyak manfaat yang akan dibawa oleh chip fotonik yang diproduksi massal ke pasar. Pertama, mereka dapat diproduksi dalam jumlah besar, memungkinkan teknologi beralih dari akses eksklusif menjadi opsi komputasi yang populer. Metode fabrikasi ini lebih terjangkau dan memungkinkan insinyur membuat komputer kuantum yang relatif kecil dengan mengintegrasikan ribuan qubit.

Geser untuk menggulir →

Metode fabrikasi ini, untuk pertama kalinya, mampu menciptakan versi identik dari perangkat berteknologi tinggi dan rumit ini. Kemampuan ini berarti insinyur dapat membuat dan mendistribusikan desain komputer kuantum masa depan mereka kepada massa menggunakan metode yang sudah ada.

Ukuran Kecil

Salah satu keuntungan terbesar dari tata letak ini adalah ukurannya yang kecil. Dengan ukuran 100 kali lebih kecil daripada rambut manusia, chip ini mampu mendukung desain komputer kuantum yang kuat. Unit ini akan mengintegrasikan ribuan qubit seperti chip Condor milik IBM (IBM ), yang menangani 1.121 qubit tetapi memiliki faktor bentuk yang jauh lebih besar karena laminasi yang lebih besar.

Kinerja Tinggi

Secara mengesankan, chip ini dapat memberikan daya komputasi sebanding dengan mesin paling canggih saat ini. Mereka dapat mendukung lebih dari 500 mW daya optik, yang merupakan batas atas saat ini untuk komputasi kuantum kelas atas. Selain itu, desain chip baru ini mendukung lebih banyak daya optik dan presisi sambil mengonsumsi jauh lebih sedikit daya.

Lebih Efisien

Modulasi fase yang digunakan dalam pendekatan ini memerlukan daya gelombang mikro jauh lebih sedikit dibandingkan pendahulunya. Secara khusus, insinyur mencatat bahwa perangkat mereka dapat melakukan aksi kuantum dengan energi 80 kali lebih sedikit. Akibatnya, menghasilkan jauh lebih sedikit panas, memungkinkan penggabungan dengan lebih banyak chip untuk menciptakan perangkat yang lebih kuat.

Aplikasi Dunia Nyata: Penginderaan & Jaringan

Ada beberapa aplikasi teknologi ini. Penggunaan yang jelas adalah mendukung desain komputer Kuantum masa depan. Chip berperforma tinggi ini cukup kecil untuk dipaketkan rapat bersama dan cukup efisien energi sehingga tidak menimbulkan masalah panas berlebih dalam konfigurasi ini.

Penginderaan Kuantum

Sensor kuantum memberikan akurasi jauh lebih tinggi dibandingkan sensor tradisional. Mereka mencapai hal ini dengan memanfaatkan superposisi, keterikatan, dan squeezing. Tindakan ini memungkinkan perangkat mengukur secara akurat perubahan medan magnet, gravitasi, waktu, suhu, dan lainnya. Chip ini dapat membantu membuat sensor tersebut lebih terjangkau.

Jaringan Kuantum

Aplikasi kunci lainnya adalah jaringan Kuantum. Teknologi ini memanfaatkan keterikatan untuk mengirim data dengan kecepatan transmisi tinggi. Secara khusus, ia menggunakan pasangan Bell kuantum dan teleportasi untuk mentransfer keadaan tanpa kloning. Tujuan teknologi ini adalah menciptakan infrastruktur untuk internet kuantum suatu hari nanti.

Jalan Menuju Komersialisasi: Peta Jalan 7-10 Tahun

Diperkirakan membutuhkan waktu 7-10 tahun sebelum teknologi ini tersedia untuk publik. Secara penting, teknik manufaktur ini akan menjadi faktor pendorong dalam mempercepat adopsi teknologi kuantum, namun pertama-tama harus disempurnakan. Namun, setelah bekerja sama dengan produsen yang tepat, strategi biaya rendah ini akan mendukung integrasi dan adopsi lebih lanjut.

Tim Peneliti & Pendanaan

Universitas Colorado di Boulder menjadi tuan rumah studi chip fotonik dengan partisipasi dari Sandia National Laboratories. Secara khusus, Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer, dan Sebastian Magri berkontribusi dalam pekerjaan ini.

Studi ini menerima dukungan finansial dan material dari Departemen Energi AS melalui program Quantum Systems Accelerator, yang diselenggarakan oleh National Quantum Initiative Science Research Center.

Tujuan Penelitian Masa Depan

Sekarang tim akan menargetkan pembuatan sirkuit fotonik terintegrasi yang mampu melampaui ukuran kinerja sebelumnya. Kelompok ini berupaya meningkatkan kemampuan generasi frekuensi dan penyaringan chip, serta pendekatan pembentukan pulsa, untuk meningkatkan kinerja lebih lanjut.

Selain itu, insinyur akan mencari mitra strategis untuk membantu mengimplementasikan metode fabrikasi mereka. Langkah ini berarti menjalin kerja sama dengan situs fabrikasi CMOS terkemuka dan mengamankan sebagian fasilitas mereka untuk desain chip baru ini.

Saham Komputasi Kuantum Teratas untuk Dipantau

Sektor komputasi kuantum terus berkembang, dengan kompetisi yang meningkat setiap bulan. Desainer komputer kuantum, produsen chip, dan programmer terkemuka saat ini terus mendorong teknologi ini ke tingkat baru, membuka pintu bagi inovasi dalam daya komputasi. Berikut satu perusahaan yang tetap berada di garis depan revolusi ini.

IonQ (IONQ): Pemimpin dalam Sistem Ion Terperangkap

IonQ (IONQ ) diluncurkan pada 2015 untuk memajukan teknologi kuantum. Perusahaan ini didirikan oleh dua pakar komputasi kuantum, Christopher Monroe dan Dr. Jungsang Kim. Secara khusus, Monroe telah menjadi tokoh penting dalam studi kuantum dan dianggap sebagai pionir di industri.

IonQ telah membantu menginovasi teknologi ini, termasuk menciptakan chip ion ytterbium 5 pertama yang beroperasi dengan algoritma Deutsch-Jozsa. Mereka juga meluncurkan layanan QCaaS (Quantum Computing as a Service) ion terperangkap pertama secara komersial. Pengembangan ini membantu perusahaan berhasil mengamankan $636 juta.

Saat ini, perusahaan menawarkan beberapa produk kuantum tingkat tinggi, termasuk sistem rak Aria 32-qubit mereka. Selain itu, perusahaan telah mengamankan kemitraan strategis dengan AWS/Azure/Google Cloud, dan penyedia cloud terkemuka lainnya.

Mereka yang mencari penyedia komputasi kuantum terkemuka dengan pengalaman bertahun-tahun sebaiknya melakukan riset lebih lanjut tentang IonQ. Perusahaan saat ini memiliki kapitalisasi pasar sebesar $16,3 miliar. Secara khusus, sahamnya telah mengalami volatilitas baru-baru ini, dengan harga tertinggi $84,64 dan terendah $17,88.

Berita Saham IonQ (IONQ) Terbaru dan Kinerja

Kesimpulan

Pentingnya berhasil mengembangkan cara untuk memproduksi chip fotonik secara massal tidak dapat diremehkan. Teknologi ini berada di inti ekspansi komputasi kuantum dan harus disempurnakan sebelum dapat diakses publik. Perkembangan terbaru ini pasti akan mengurangi biaya pembuatan perangkat kuantum, yang pada gilirannya akan menyediakan pasokan chip yang stabil ke pasar di masa depan.

Pelajari terobosan teknologi komputasi keren lainnya di sini.

Referensi

^{1. Freedman, J. M., Storey, M. J., Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, N. T., & Eichenfield, M. (2025). Modulasi fase akusto-optik pada frekuensi gigahertz dari cahaya tampak dalam sirkuit fotonik yang diproduksi dengan CMOS. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}