Mengarahkan Masa Depan Kuantum: Interferensi Fononik dan Material Baru

Tidak seperti komputer klasik, seperti laptop dan smartphone kita, komputer kuantum memanfaatkan sifat fisika kuantum untuk melakukan perhitungan dan menyimpan data, menjadikannya lebih baik bahkan dibandingkan beberapa superkomputer terbaik saat ini pada tugas tertentu.

Berbeda dengan mengkodekan informasi dalam bit biner (baik 0 maupun 1) seperti komputer biasa, unit dasar memori komputer kuantum adalah qubit, yang dibuat menggunakan sistem fisik seperti spin elektron atau orientasi foton. 

Quantum bits, or qubits, dapat disusun dalam banyak cara sekaligus. Ini berarti mereka dapat mewakili 0 dan 1 secara bersamaan, sebuah sifat yang disebut superposisi kuantum. Qubit juga dapat terhubung melalui keterikatan kuantum, di mana partikel yang terhubung berbagi nasib yang sama terlepas dari jarak di antara mereka.

Akibatnya, komputer kuantum dianggap memiliki kemampuan melakukan perhitungan secara eksponensial lebih cepat daripada komputer klasik mana pun. 

Dengan manfaat ini, komputer kuantum menjanjikan revolusi dalam komputasi modern. Secara teoritis, mereka dapat mengoptimalkan logistik, memecahkan skema enkripsi yang umum, memungkinkan penemuan obat dan material baru, serta membantu fisikawan melakukan simulasi fisik. 

Meskipun komputer kuantum belum menjadi kenyataan, upaya untuk menciptakan yang praktis sedang dipercepat karena perusahaan teknologi besar bekerja meningkatkan skala dari eksperimen laboratorium kecil ke sistem kerja penuh dalam beberapa tahun mendatang.

IBM telah menguraikan rencana detailnya, dengan Jay Gambetta, kepala inisiatif kuantum IBM, mengatakan kepada Financial Times bahwa ini bukan lagi mimpi lagi:

“Saya benar‑benar merasa kami telah memecahkan kode dan kami akan dapat membangun mesin ini pada akhir dekade ini.”

Sementara Google, perusahaan milik Alphabet (GOOG ), juga yakin akan kemampuannya menghasilkan sistem skala industri dalam kerangka waktu ini, Amazon (AMZN ) memperkirakan beberapa dekade lagi sebelum mesin‑mesin ini menjadi benar‑benar berguna.

Jelas ada fokus kuat pada teknologi baru ini di antara pemain industri terbesar, meskipun adopsi di dunia nyata terus terhambat oleh beberapa tantangan.

Ini termasuk kerentanan qubit terhadap gangguan lingkungan, yang juga dikenal sebagai “noise”. Faktor seperti panas, getaran, dan medan elektromagnetik dapat menyebabkan qubit kehilangan sifat kuantumnya. Proses ini, yang dikenal sebagai decoherence kuantum, menyebabkan sistem gagal dan memperkenalkan kesalahan dalam perhitungan. Sensitivitas ini menjadi tantangan utama dalam membangun dan mengoperasikan komputer kuantum.

Untuk melindungi qubit dari interferensi eksternal, ilmuwan baik mengisolasi secara fisik, menjaga suhu tetap dingin, atau memberi mereka ledakan energi terpusat.

Selain noise, koreksi kesalahan, skalabilitas, pengetahuan khusus, intensitas sumber daya, dan integrasi dengan sistem klasik merupakan tantangan lain yang dihadapi komputer kuantum. Kabar baiknya, masalah‑masalah ini sedang ditangani secara aktif oleh perusahaan dan ilmuwan melalui berbagai pendekatan untuk mewujudkan komputer kuantum.

Neglectons: Partikel yang Diabaikan dalam Komputasi Kuantum

Salah satu cara mengatasi kerapuhan qubit untuk membangun komputer kuantum yang stabil adalah dengan mempasangkannya dengan elemen matematis yang sebelumnya dianggap tidak relevan. 

Penemuan ini dilaporkan oleh matematikawan minggu lalu, yang mencatat bahwa partikel yang diabaikan disebut “neglectons” dapat membantu merevolusi sektor¹.

Kuasipartikel yang dibahas di sini disebut Ising anyon, yang hanya ada dalam sistem 2D dan merupakan inti dari komputasi kuantum topologis. Artinya, anyon tidak menyimpan informasi dalam partikel melainkan dalam cara mereka melilit satu sama lain, yang jauh lebih tahan terhadap noise. Masalahnya adalah Ising anyon tidak bersifat universal.

Untuk mengatasi hal ini, tim beralih ke “non-semisimple topological quantum field theory.” Teori ini memungkinkan prediksi partikel baru yang belum diketahui “hanya dengan memahami simetri dari apa yang terjadi.”

Berdasarkan hal ini, setiap partikel memiliki dimensi kuantum, sebuah angka yang mencerminkan seberapa besar “bobot” atau pengaruhnya dalam sistem. Sementara partikel dengan bobot nol biasanya dibuang, dalam versi non-semisimple baru, partikel‑partikel tersebut dipertahankan sebelum mencari cara agar angka itu tidak menjadi nol.

Bagian‑bagian yang diabaikan yang ditafsirkan ulang memberikan kemampuan yang hilang pada Ising anyon. 

Studi tersebut menunjukkan bahwa dengan hanya satu neglecton, partikel itu mampu melakukan komputasi universal hanya melalui braiding. Secara khusus, Ising anyon dapat menciptakan superposisi karena mereka bergantung pada bentuk jalur braiding dan bukan lokasi yang tepat, serta secara alami terlindungi dari banyak jenis noise.

Melatih AI untuk Menata Ulang Atom secara Efisien

Dalam contoh lain, peneliti menggunakan AI untuk merakit ‘otak’ komputer kuantum.²

Apa yang dilakukan tim adalah mereka memanfaatkan kecerdasan buatan untuk menemukan cara paling optimal dalam menyusun jaringan atom dengan cepat yang suatu hari nanti dapat berfungsi sebagai otak komputer kuantum.

Menurut co‑author studi, Jian‑Wei Pan, seorang fisikawan di University of Science and Technology of China:

“AI untuk ilmu pengetahuan muncul sebagai paradigma kuat untuk menangani masalah ilmiah yang kompleks.”

Saat membangun ‘array atom netral’, tantangannya adalah menemukan cara menata ulang mereka dalam cara yang “efisien, cepat, dan dapat diskalakan” yang diselesaikan oleh AI.

Atom netral, ion terperangkap, dan sirkuit superkonduktor digunakan peneliti untuk membuat qubit karena kemampuannya mempertahankan keadaan kuantum untuk waktu yang relatif lama. Ketika atom digunakan sebagai qubit, mereka ditangkap dengan cahaya laser dan menyimpan informasi kuantum dalam tingkat energi elektron mereka.

Gagasan tersebut adalah menggunakan cukup banyak atom untuk membantu komputer kuantum mengatasi kesalahan. Jadi, tim melatih model AI tentang bagaimana atom rubidium (Rb) dapat ditempatkan dalam konfigurasi kisi yang berbeda menggunakan berbagai pola cahaya laser. Kemudian, berdasarkan lokasi awal atom, model AI dapat menghitung pola cahaya yang tepat diperlukan untuk menata ulang mereka menjadi bentuk 2D dan 3D.

Dengan model AI mereka, tim merakit array hingga 2.024 atom rubidium dalam hanya 60 milidetik. Studi tersebut mencatat:

“Protokol ini dapat dengan mudah digunakan untuk menghasilkan array tanpa cacat yang berjumlah puluhan ribu atom dengan teknologi saat ini dan menjadi kotak peralatan yang berguna untuk koreksi kesalahan kuantum.”

Distilasi Status Ajaib pada Qubit Logika

Sementara itu, bulan lalu, ilmuwan mencapai terobosan ‘status ajaib’ untuk membangun komputer kuantum bebas kesalahan.³

Para ilmuwan sebenarnya menunjukkan fenomena yang disebut ‘distilasi status ajaib’, yang meskipun diusulkan dua dekade lalu, belum digunakan pada qubit logika sampai sekarang. Hal ini terjadi meskipun dianggap krusial untuk menghasilkan ‘status ajaib’, yang diperlukan untuk mewujudkan potensi penuh komputer kuantum.

Status‑status tersebut dipersiapkan sebelumnya untuk dikonsumsi sebagai sumber daya oleh algoritma kuantum yang kompleks.

Untuk pemanfaatannya oleh algoritma, status ajaib berkualitas tertinggi pertama‑tama “dimurnikan” melalui proses penyaringan yang disebut distilasi status ajaib. Meskipun memungkinkan pada qubit fisik sederhana yang rawan kesalahan, proses ini tidak dapat dilakukan pada qubit logika yang dikonfigurasi untuk mendeteksi dan memperbaiki kesalahan.

Sekarang, untuk pertama kalinya, ilmuwan telah menunjukkan distilasi status ajaib secara praktik pada qubit logika.

Dengan menggunakan komputer kuantum Gemini berbasis atom netral, ilmuwan mendistilasi lima status ajaib yang tidak sempurna menjadi satu status ajaib yang lebih bersih. Dengan melakukan ini pada qubit logika Distance‑3 dan Distance‑5 secara terpisah, ilmuwan menunjukkan bahwa proses distilasi skala sesuai dengan kualitas qubit logika.

Sebagai hasilnya, fidelitas status ajaib akhir melampaui fidelitas semua masukan, mengonfirmasi bahwa distilasi status ajaib yang tahan gangguan memang berfungsi dalam praktik.

Membuka Memori Kuantum dengan Gelombang Suara

Baru minggu lalu, ilmuwan Caltech menerbitkan penelitian mereka yang menunjukkan gelombang suara membuka cara lain menuju komputasi kuantum praktis⁴.

Mereka telah membangun memori kuantum hibrida yang mengubah informasi listrik menjadi suara. Hal ini memungkinkan keadaan kuantum bertahan hingga tiga puluh kali lebih lama dibandingkan sistem superkonduktor standar, di mana resonator yang dirancang dengan cermat memungkinkan elektron membentuk qubit superkonduktor yang unggul dalam melakukan operasi cepat dan kompleks namun tidak cocok untuk penyimpanan jangka panjang.

Menyimpan informasi dalam keadaan kuantum terus menjadi tantangan; untuk mengatasinya, peneliti menciptakan “memori kuantum” untuk menyimpan informasi kuantum selama periode yang melampaui qubit superkonduktor yang banyak digunakan. Dan metode hibrida baru oleh tim Caltech telah memperpanjang memori kuantum.

“Setelah Anda memiliki keadaan kuantum, Anda mungkin tidak ingin melakukan apa‑apa dengannya segera. Anda perlu memiliki cara untuk kembali ke keadaan itu ketika Anda ingin melakukan operasi logis. Untuk itu, Anda memerlukan memori kuantum.”

– Mohammad Mirhosseini, asisten profesor teknik elektro dan fisika terapan

Jadi, tim membuat qubit superkonduktor pada chip dan menghubungkannya ke perangkat kecil yang disebut osilator mekanik, yang pada dasarnya adalah garpu tala skala kecil.

Osilator ini terdiri dari pelat fleksibel yang bergetar sebagai respons terhadap gelombang suara berfrekuensi GHz. Saat diberikan muatan listrik, pelat‑pelat ini berinteraksi dengan sinyal listrik yang membawa informasi kuantum, memungkinkan informasi tersebut dialirkan ke dalam perangkat untuk disimpan sebagai “memori” dan kemudian dikeluarkan kembali, atau “diingat”.

Setelah pengukuran, peneliti menemukan osilator memiliki masa hidup, yaitu waktu yang dibutuhkan untuk kehilangan konten kuantum setelah informasi dimasukkan ke perangkat, yang sekitar 30 kali lebih lama dibandingkan qubit superkonduktor terbaik.

Di tengah semua kemajuan ini, dua studi baru yang didukung oleh National Science Foundation telah mencapai terobosan besar yang membawa kita selangkah lebih dekat ke penggunaan praktis komputer kuantum.

Material Kuantum Baru untuk Qubit Stabil

Tim peneliti dari Chalmers University of Technology, University of Helsinki, dan Aalto University telah memperkenalkan material kuantum yang dapat mengubah komputasi kuantum selamanya dengan membuat komputer kuantum lebih stabil. Hal ini dilakukan dengan menggunakan magnetisme untuk melindungi qubit rapuh dari noise. 

Ketika digabungkan dengan alat komputasi mereka untuk menemukan material dengan interaksi magnetik, terobosan ini akhirnya dapat menghasilkan komputer kuantum praktis yang toleran terhadap kesalahan.

Jenis material kuantum baru, bersama dengan metode untuk mencapai stabilitas, dapat membuat komputer kuantum lebih tahan, sehingga membuka jalan bagi penggunaan praktisnya dalam menangani perhitungan kuantum.

Belakangan ini, peneliti secara aktif mengeksplorasi kemungkinan menciptakan material benar‑benar baru untuk menyelesaikan masalah noise dengan memberikan perlindungan yang diperlukan terhadap gangguan pada topologi mereka.

Keadaan kuantum yang muncul dan dipertahankan melalui struktur inheren material yang digunakan untuk membuat qubit disebut eksitasi topologis. Dan ini bersifat kuat dan stabil. Tantangannya, bagaimanapun, tetap menemukan material yang secara alami mendukung keadaan kuantum yang kuat.

Studi terbaru berhasil mengembangkan salah satu material kuantum baru untuk qubit yang menampilkan eksitasi topologis yang kuat⁵.

Ini menandai langkah menjanjikan menuju komputasi kuantum topologis praktis dengan stabilitas yang dibangun langsung ke dalam desain material.

Menurut penulis utama studi, Guangze Chen, peneliti pascadoktoral dalam fisika kuantum terapan di Chalmers:

“Ini adalah jenis material kuantum eksotis yang sepenuhnya baru yang dapat mempertahankan sifat kuantumnya ketika terpapar gangguan eksternal. Hal ini dapat berkontribusi pada pengembangan komputer kuantum yang cukup kuat untuk menangani perhitungan kuantum secara praktis.”

‘Material kuantum eksotis’ mengacu pada beberapa kelas baru padatan dengan ketahanan mendalam dan sifat kuantum ekstrem, dan pencarian material semacam itu telah lama menjadi tantangan.

Sekarang, terkait metode baru tim, magnetisme adalah kuncinya. Apa yang biasanya dilakukan peneliti adalah mengikuti ‘resep’ yang telah lama mapan berdasarkan spin‑orbit coupling (SOC). Ini adalah interaksi kuantum yang menghubungkan spin elektron dengan gerakan orbitalnya di sekitar inti atom untuk menciptakan eksitasi topologis. 

Namun ini cukup jarang dan hanya dapat digunakan pada sejumlah terbatas material. Oleh karena itu, tim memperkenalkan metode baru untuk mencapai efek yang sama. Metode baru memanfaatkan magnetisme, yang lebih umum dan mudah diakses.

Dengan memanfaatkan interaksi magnetik, tim berhasil menciptakan eksitasi topologis yang kuat yang dibutuhkan untuk komputasi kuantum topologis.

“Keuntungan metode kami adalah magnetisme secara alami ada di banyak material. Anda dapat membandingkannya dengan memanggang menggunakan bahan sehari‑hari daripada menggunakan rempah langka,” kata Chen. “Ini berarti kami kini dapat mencari sifat topologis dalam spektrum material yang jauh lebih luas, termasuk yang sebelumnya diabaikan.”

Selain material dan metode baru, para peneliti juga mengembangkan alat komputasi yang sepenuhnya baru.

Alat tersebut membantu mereka menemukan material baru dengan sifat topologis yang diinginkan lebih cepat. Alat ini dapat menghitung secara langsung seberapa kuat perilaku topologis suatu material.

“Harapan kami adalah pendekatan ini dapat membantu memandu penemuan banyak material eksotis lainnya,” kata Chen. “Pada akhirnya, ini dapat menghasilkan platform komputer kuantum generasi berikutnya, yang dibangun di atas material yang secara alami tahan terhadap jenis gangguan yang mengganggu sistem saat ini.”

Memanfaatkan Kekuatan Phonon yang Belum Dimanfaatkan

Terobosan lain telah dicapai oleh peneliti dari Rice University, yang dapat membuka jalan bagi teknologi generasi berikutnya dalam sensing dan komputasi. Penelitian ini menunjukkan bentuk interferensi kuat antara phonon.⁶.

Phonon adalah getaran dalam struktur material yang merupakan unit terkecil dari panas atau suara dalam sistem tersebut. 

Ketika dua phonon dengan distribusi frekuensi berbeda saling berinterferensi, fenomena tersebut dikenal sebagai resonansi Fano. Studi tersebut melaporkan resonansi Fano dua urutan besaran lebih besar daripada sebelumnya.

“Meskipun fenomena ini telah dipelajari secara mendalam untuk partikel seperti elektron dan foton, interferensi antara phonon jauh kurang dieksplorasi,” kata penulis pertama studi, Kunyan Zhang, mantan peneliti pascadoktoral di Rice. “Itu merupakan peluang yang terlewat, karena phonon dapat mempertahankan perilaku gelombangnya untuk waktu lama, menjadikannya menjanjikan untuk perangkat yang stabil dan berperforma tinggi.”

Studi tersebut secara efektif menunjukkan bahwa phonon dapat dimanfaatkan sama suksesnya seperti cahaya atau elektron, membuka jalan bagi teknologi berbasis phonon generasi baru. Dasar terobosan ini adalah penggunaan logam 2D di atas dasar silikon karbida.

Di antara lapisan graphene dan silikon karbida, tim menyisipkan beberapa lapisan atom perak menggunakan teknik confinement heteroepitaxy, yang menghasilkan antarmuka yang terikat erat dengan sifat kuantum luar biasa.

“Logam 2D memicu dan memperkuat interferensi antara mode vibrasi yang berbeda dalam silikon karbida, mencapai tingkat rekor.”

– Zhang

Untuk pekerjaan mereka, tim mengeksplorasi bagaimana phonon berinterferensi satu sama lain. Untuk itu, mereka melihat bentuk sinyal mereka dalam spektroskopi Raman, teknik yang digunakan untuk mengukur mode vibrasi material. Peneliti menemukan bentuk garis yang sangat asimetris, yang menampilkan penurunan lengkap dalam beberapa kasus, membentuk pola antiresonansi yang khas dari interferensi intens.

Efek ini menunjukkan sensitivitas tinggi terhadap spesifikasi permukaan silikon karbida (SiC).

Saat membandingkan tiga terminasi permukaan SiC yang unik, peneliti menemukan hubungan kuat antara masing‑masing terminasi tersebut dan bentuk garis Raman yang unik. Selanjutnya, bentuk garis spektral berubah secara signifikan ketika satu molekul pewarna diperkenalkan ke permukaan.

“Interferensi ini begitu sensitif sehingga dapat mendeteksi keberadaan satu molekul,” kata Zhang. “Hal ini memungkinkan deteksi molekul tunggal tanpa label dengan setup yang sederhana dan dapat diskalakan. Hasil kami membuka jalur baru untuk menggunakan phonon dalam sensing kuantum dan deteksi molekul generasi berikutnya.”

Saat mempelajari dinamika efek pada suhu rendah, dipastikan bahwa interferensi berasal murni dari interaksi phonon dan bukan elektron, menjadikannya kasus langka interferensi kuantum yang hanya melibatkan phonon.

Tim mengamati efek ini hanya dalam sistem silikon karbida 2D yang mereka gunakan karena konfigurasi permukaan dan jalur transisi khusus yang diaktifkan oleh lapisan tipis.

“Dibandingkan dengan sensor konvensional, metode kami menawarkan sensitivitas tinggi tanpa memerlukan label kimia khusus atau setup perangkat yang rumit,” kata co‑author Shengxi Huang, associate professor of electrical and computer engineering and materials science and nanoengineering at Rice. “Pendekatan berbasis phonon ini tidak hanya memajukan sensing molekuler tetapi juga membuka kemungkinan menarik dalam pemanenan energi, manajemen termal, dan teknologi kuantum, di mana pengendalian getaran menjadi kunci.”

Swipe to scroll →

Berinvestasi dalam Komputasi Kuantum

Beberapa raksasa teknologi besar dan investor sedang memasang taruhan besar pada terobosan kuantum. Ini termasuk IBM (IBM ), Google, Amazon, Microsoft (MSFT ), dan banyak lagi. Mereka semua memperluas inisiatif kuantum mereka, sementara modal ventura terus mengalir tanpa henti ke startup yang mengeksplorasi material baru, koreksi kesalahan, dan teknologi fononik.

Microsoft (MSFT )

Di antara semua nama besar ini, Microsoft menonjol secara signifikan. Mereka telah mendorong investasi pada kuantum dan fusi, memposisikannya sebagai teknologi pelengkap untuk memberi daya pada pusat data berbasis AI di masa depan. Sejalan dengan itu, laboratorium AI kuantum Google dan peta jalan kuantum multi‑tahun IBM mencerminkan tujuan mereka untuk mencapai mesin kuantum praktis dalam dekade ini.

Harga saham Microsoft naik dari sekitar $354 pada awal April 2025 ke puncak di atas $524 pada bulan Agustus, sebelum kembali turun ke sekitar $509 pada 19 Agustus. Penilaian perusahaan saat ini mencakup rasio P/E sebesar 38,1, dengan laba per saham (TTM) sebesar $13,70 dan dividen sebesar 0,59%. Dan untuk FY2025, pendapatan mencapai $281,7 miliar dan laba bersih $101,8 miliar. Permintaan untuk layanan cloud dan AI mereka, khususnya, membantu meningkatkan kinerjanya.

Berita dan Perkembangan Saham Microsoft Corporation (MSFT) Terbaru

Kesimpulan

Komputer kuantum memiliki kemampuan melakukan perhitungan kompleks dengan kecepatan yang jauh melampaui komputer klasik, yang menjanjikan terobosan di berbagai bidang, termasuk penemuan obat, ilmu material, AI, dan kriptografi.

Namun tentu saja, komputer kuantum masih jauh dari kenyataan, menghadapi tantangan seperti noise, skalabilitas, stabilitas, penyimpanan, memori, dan kontrol. Di sisi positif, para peneliti terus membuat kemajuan konstan di semua bidang ini, dan bersama‑sama mereka membawa kita lebih dekat untuk membuka komputer kuantum praktis!

Klik di sini untuk daftar lima perusahaan komputasi kuantum teratas.

Referensi:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Komputasi kuantum universal menggunakan Ising anyon dari teori medan kuantum topologis non‑semisimple. Nature Communications, 16, 6408, dipublikasikan 05 Agustus 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (2025, 15 Agustus). AI membantu merakit ‘otak’ komputer kuantum masa depan. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, J. M., Jepsen, P. N., et al. Demonstrasi eksperimental distilasi status ajaib logika. Nature, dipublikasikan 14 Juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., et al. Memori kuantum mekanik untuk foton gelombang mikro. Nature Physics, dipublikasikan 13 Agustus 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, E. L., Lado, J. L., & Chen, G. Mode nol topologis dan pompa korelasi dalam kisi Kondo yang direkayasa. Physical Review Letters, 134(11), 116605, dipublikasikan Maret 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., et al. Interferensi kuantum fononik yang dapat disetel yang dipicu oleh logam dua dimensi. Science Advances, 11, eadw1800, dipublikasikan 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800