Mendorong Masa Depan Kuantum: Interferensi Fononik dan Material Baru

Tidak seperti komputer klasik, seperti laptop dan telepon pintar kita, komputer kuantum memanfaatkan sifat fisika kuantum untuk melakukan perhitungan dan menyimpan data, yang membuatnya lebih baik daripada beberapa superkomputer terbaik saat ini dalam tugas-tugas tertentu.

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

Bit kuantum, atau qubit, dapat diatur dalam banyak cara berbeda sekaligus. Kredensial mikro berarti mereka dapat mewakili 0 dan 1 secara bersamaan, properti yang disebut superposisi kuantum. Qubit juga bisa dihubungkan melalui keterikatan kuantum, di mana partikel-partikel yang terhubung berbagi nasib yang sama terlepas dari jarak di antara mereka.

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

Dengan keunggulan ini, komputer kuantum menjanjikan revolusi komputasi modern. Secara teoritis, komputer kuantum dapat mengoptimalkan logistik, memecahkan skema enkripsi yang lazim, memungkinkan penemuan obat dan material baru, serta membantu fisikawan melakukan simulasi fisika. 

Meskipun komputer kuantum belum menjadi kenyataan, upaya untuk menciptakan sesuatu yang praktis semakin cepat karena perusahaan teknologi besar berupaya meningkatkan skala percobaan laboratorium kecil menjadi sistem yang berfungsi penuh dalam beberapa tahun mendatang.

IBM telah memaparkan rencana terperincinya, dengan Jay Gambetta, kepala inisiatif kuantum IBM, mengatakan kepada Financial Times bahwa itu bukan mimpi lagi:

“Saya benar-benar merasa kami telah memecahkan kodenya dan kami akan mampu membangun mesin ini pada akhir dekade ini.”

Sementara Google, sebuah Alfabet (GOOG ) perusahaan milik negara, juga yakin akan kemampuannya untuk memproduksi sistem skala industri dalam jangka waktu ini, Amazon (AMZN ) mengharapkan beberapa dekade lagi agar mesin ini benar-benar berguna.

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

Kredensial mikro termasuk kerentanan qubit terhadap gangguan di lingkungan, yang juga dikenal sebagai “noise.” Faktor-faktor seperti panas, getaran, dan medan elektromagnetik dapat menyebabkan qubit kehilangan sifat kuantumnya. Proses ini, yang dikenal sebagai dekoherensi kuantum, menyebabkan sistem crash dan menimbulkan kesalahan dalam perhitungan. Sensitivitas ini merupakan tantangan besar dalam membangun dan mengoperasikan komputer kuantum.

Untuk melindungi qubit dari gangguan eksternal, para ilmuwan mengisolasi mereka secara fisik, menjaga mereka tetap dingin, atau menyetrum mereka dengan semburan energi terkonsentrasi.

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

Pengabaian: Partikel yang Terabaikan dalam Komputasi Kuantum

Salah satu cara mengatasi kelemahan qubit untuk membangun komputer kuantum yang stabil adalah dengan memasangkannya dengan elemen matematika yang sebelumnya terlihat sebagai tidak relevan. 

Penemuan ini dilaporkan oleh para matematikawan minggu lalu, yang mencatat bahwa partikel yang diabaikan disebut “Neglectons” dapat membantu merevolusi sektor ini¹.

Kuasipartikel yang dibahas di sini disebut anyon Ising, yang hanya ada dalam sistem 2D dan merupakan inti dari komputasi kuantum topologi. Artinya, anyon tidak menyimpan informasi dalam partikelnya, melainkan dalam cara mereka saling melingkari, yang jauh lebih tahan terhadap derau. Masalahnya, anyon Ising tidak universal.

Untuk mengatasi hal ini, tim beralih ke "teori medan kuantum topologi non-semisimple". 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, yaitu angka yang mencerminkan seberapa besar “bobot” atau pengaruhnya terhadap sistem. Meskipun partikel dengan bobot nol umumnya dibuang, dalam versi non-semisimple yang baru, partikel-partikel tersebut disimpan sebelum mencari tahu bagaimana buat angka itu tidak menjadi nol.

Potongan-potongan terabaikan yang ditafsirkan ulang menyediakan kemampuan yang hilang dari Ising anyons. 

Studi ini menunjukkan bahwa hanya dengan satu neglecton, partikel tersebut mampu melakukan komputasi universal hanya melalui braiding. Khususnya, anyon Ising dapat menciptakan superposisi karena bergantung pada bentuk jalur braiding dan bukan lokasi yang tepat, dan terlindungi secara alami dari berbagai macam kebisingan.

Melatih AI untuk Menata Ulang Atom Secara Efisien

Dalam contoh lain, para peneliti menggunakan AI untuk merakit 'otak' komputer kuantum².

Apa itu tim apa yang mereka lakukan menggunakan kecerdasan buatan untuk menemukan cara yang paling optimal untuk dengan cepat menyusun jaringan atom yang dapat bertindak sebagai otak komputer kuantum suatu hari nanti di masa depan.

Menurut rekan penulis studi tersebut, Jian-Wei Pan, seorang fisikawan di Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok:

“AI untuk sains muncul sebagai paradigma yang ampuh untuk mengatasi masalah ilmiah yang kompleks.”

Saat membangun 'susunan atom netral', tantangannya adalah mencari cara untuk menyusunnya kembali dalam "cara yang efisien, cepat, dan terukur" yang diselesaikan oleh AI.

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

Idenya adalah menggunakan atom yang cukup untuk membantu komputer kuantum mengatasi kesalahan. Jadi, tim melatih model AI tentang bagaimana atom rubidium (Rb) dapat diletakkan ke dalam berbagai konfigurasi kisi menggunakan berbagai pola cahaya laser. Kemudian, berdasarkan lokasi awal atom, model AI dapat menghitung pola cahaya akurat yang diperlukan untuk menyusunnya kembali menjadi bentuk 2D dan 3D.

Dengan menggunakan model AI mereka, tim tersebut menyusun susunan hingga 2,024 atom rubidium hanya dalam 60 milidetik. Studi tersebut mencatat:

"Protokol ini dapat segera digunakan untuk menghasilkan susunan bebas cacat puluhan ribu atom dengan teknologi terkini dan menjadi kotak peralatan yang berguna untuk koreksi kesalahan kuantum."

Distilasi Keadaan Ajaib Qubit Logika

Sementara itu, bulan lalu, para ilmuwan mencapai terobosan 'negara ajaib'³ untuk membangun komputer kuantum bebas kesalahan.

Para ilmuwan benar-benar menunjukkan fenomena yang disebut 'distilasi keadaan ajaib', yang meskipun diusulkan dua dekade lalu, belum digunakan dalam qubit logis hingga sekarang. Kredensial mikro meskipun dianggap penting untuk menghasilkan 'keadaan ajaib', yang adalah yang dibutuhkan untuk memenuhi potensi penuh komputer kuantum.

Keadaan seperti itu dipersiapkan terlebih dahulu untuk dikonsumsi sebagai sumber daya oleh algoritma kuantum yang kompleks.

Agar dapat digunakan oleh algoritma, status ajaib dengan kualitas tertinggi terlebih dahulu "dimurnikan" melalui proses penyaringan yang disebut distilasi status ajaib. Meskipun memungkinkan pada qubit fisik sederhana yang rentan terhadap kesalahan, proses ini tidak memungkinkan pada qubit logis yang dikonfigurasi untuk mendeteksi dan mengoreksi kesalahan.

Sekarang, untuk pertama kalinya, para ilmuwan telah menunjukkan distilasi keadaan ajaib dalam praktik pada qubit logis.

Dengan menggunakan komputer kuantum Gemini atom netral, para ilmuwan menyaring lima keadaan ajaib yang tidak sempurna menjadi satu keadaan ajaib yang lebih bersih. Dengan melakukan hal ini pada qubit logis Jarak-3 dan Jarak-5 secara terpisah, para ilmuwan telah menunjukkan bahwa proses distilasi berskala sesuai dengan kualitas qubit logis tersebut.

Hasilnya, kesetiaan status sihir akhir melampaui kesetiaan masukan apa pun, yang menegaskan bahwa penyulingan status sihir yang tahan gangguan benar-benar berfungsi dalam praktik.

Membuka Memori Kuantum dengan Gelombang Suara

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

Mereka telah membangun memori kuantum hibrid yang mengubah informasi listrik menjadi suara. Kredensial mikro memungkinkan keadaan kuantum untuk hidup hingga tiga puluh kali lebih lama dibandingkan sistem superkonduktor standar, dimana resonator yang dirancang dengan cermat memungkinkan elektron untuk membentuk qubit superkonduktor yang unggul dalam melakukan operasi yang cepat dan kompleks tetapi tidak cocok untuk penyimpanan jangka panjang. 

Menyimpan informasi dalam keadaan kuantum terus menjadi tantangan, untuk mengatasinya, para peneliti menciptakan “memori kuantum” untuk menyimpan informasi kuantum dalam jangka waktu yang melampaui qubit superkonduktor yang umum digunakan. Dan metode hibrida baru oleh tim Caltech telah memperluas memori kuantum. 

"Begitu Anda memiliki keadaan kuantum, Anda mungkin tidak ingin langsung melakukan apa pun dengannya. Anda perlu memiliki cara untuk kembali ke keadaan tersebut ketika Anda ingin melakukan operasi logis. Untuk itu, Anda memerlukan memori kuantum."

– Mohammad Mirhosseini, asisten profesor teknik elektro dan terapan fisika

Jadi, tim tersebut menciptakan qubit superkonduktor pada sebuah chip dan menghubungkannya ke perangkat kecil yang dijuluki osilator mekanis, yang pada dasarnya adalah garpu tala skala kecil. 

Osilator ini terbuat dari pelat fleksibel yang bergetar sebagai respons terhadap gelombang suara frekuensi GHz. Setelah diberi muatan listrik, pelat-pelat ini berinteraksi dengan sinyal listrik yang membawa informasi kuantum, sehingga informasi tersebut dapat disalurkan ke dalam perangkat untuk disimpan sebagai “memori” dan kemudian disalurkan keluar, atau “diingat.”

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

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

Material Kuantum Baru untuk Qubit Stabil

Sebuah tim peneliti dari Universitas Teknologi Chalmers, Universitas Helsinki dan Universitas Aalto telah meluncurkan material kuantum yang dapat mengubah komputasi kuantum selamanya dengan membuat komputer kuantum lebih stabil. Material ini melakukannya dengan menggunakan magnet untuk melindungi qubit yang rapuh dari gangguan. 

Bila dikombinasikan dengan alat komputasinya untuk menemukan material dengan interaksi magnetik, terobosan ini akhirnya dapat mengarah pada komputer kuantum yang praktis dan toleran terhadap kesalahan.

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

Belakangan ini, para peneliti aktif menjajaki kemungkinan menciptakan material baru untuk mengatasi masalah kebisingan dengan memberikan perlindungan yang dibutuhkan terhadap gangguan pada topologi material tersebut.

Keadaan kuantum yang terjadi dan berkelanjutan Melalui struktur inheren material yang digunakan untuk menciptakan qubit, disebut eksitasi topologi. Eksitasi ini bersifat robust dan stabil. Namun, tantangannya tetap pada menemukan material yang secara alami mendukung keadaan kuantum robust.

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

Kredensial mikro menandai langkah yang menjanjikan menuju komputasi kuantum topologi praktis dengan memiliki stabilitas yang tertanam langsung dalam desain material.

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

"Ini adalah jenis material kuantum eksotis yang benar-benar baru yang dapat mempertahankan sifat kuantumnya saat terpapar gangguan eksternal. Material ini dapat berkontribusi pada pengembangan komputer kuantum yang cukup tangguh untuk menangani kalkulasi kuantum dalam praktik."

'Bahan kuantum eksotis' mengacu pada beberapa kelas baru bahan padat dengan ketahanan mendalam dan sifat kuantum ekstrem, dan pencarian bahan semacam itu telah lama menjadi tantangan.

Nah, kalau bicara soal metode baru tim ini, magnetisme adalah kuncinya. Apa yang dilakukan para peneliti secara tradisional adalah mengikuti 'resep' yang telah lama ada berdasarkan pada kopling spin-orbit (SOC). Kredensial mikro adalah interaksi kuantum yang menghubungkan spin elektron dengan pergerakan orbitalnya di sekitar inti atom untuk menciptakan eksitasi topologi. 

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

Dengan memanfaatkan interaksi magnetik, tim tersebut mampu menciptakan eksitasi topologi kuat yang dibutuhkan untuk komputasi kuantum topologi.

"Keunggulan metode kami adalah magnetisme terdapat secara alami di banyak material. Anda bisa membandingkannya dengan memanggang dengan bahan-bahan sehari-hari, alih-alih menggunakan rempah-rempah langka," ujar Chen. "Ini berarti kami kini dapat mencari sifat topologi pada spektrum material yang jauh lebih luas, termasuk material yang sebelumnya telah ada." telah diabaikan. "

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

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

"Harapan kami adalah "Bahwa pendekatan ini dapat membantu memandu penemuan lebih banyak material eksotis," kata Chen. "Pada akhirnya, ini dapat mengarah pada platform komputer kuantum generasi mendatang, yang dibangun di atas material yang secara alami tahan terhadap gangguan yang mengganggu sistem saat ini."

Memanfaatkan Kekuatan Fonon yang Belum Termanfaatkan

Terobosan lain telah tercapai oleh para peneliti dari Rice University, yang dapat membuka jalan bagi teknologi generasi berikutnya dalam penginderaan dan komputasi. Yang satu ini memiliki menunjukkan bentuk interferensi yang kuat antara fonon⁶.

Fonon adalah getaran dalam struktur suatu material yang merupakan unit panas atau suara terkecil dalam sistem tersebut. 

Ketika dua fonon dengan distribusi frekuensi yang berbeda ikut campur satu sama lain, fenomena itu dikenal sebagai Resonansi FanoStudi tersebut melaporkan resonansi Fano dua kali lipat lebih besar dari sebelumnya.

“Meskipun fenomena ini telah dipelajari dengan baik untuk partikel seperti elektron dan foton, interferensi antara fonon belum pernah terjadi sebelumnya. belum banyak dieksplorasi,” kata penulis utama studi tersebut, Kunyan Zhang, mantan peneliti pascadoktoral di Rice. “Itu adalah kesempatan yang terlewatkan, karena fonon dapat mempertahankan perilaku gelombangnya untuk waktu yang lama, sehingga menjanjikan untuk perangkat yang stabil dan berkinerja tinggi.”

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

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

“Logam 2D memicu dan memperkuat interferensi antara berbagai mode getaran dalam silikon karbida, mencapai tingkat rekor.”

– Zhang

Dalam penelitian mereka, tim mengeksplorasi hanya bagaimana fonon saling mengganggu. Untuk tujuan ini, mereka mengamati bentuk sinyalnya dalam spektroskopi Raman, sebuah teknik yang digunakan untuk mengukur mode vibrasi suatu material. Para peneliti menemukan bentuk garis asimetris yang tajam, yang dalam beberapa kasus menunjukkan penurunan total, membentuk pola antiresonansi yang merupakan ciri khas interferensi intens.

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

Ketika membandingkan tiga terminasi permukaan SiC yang unik, para peneliti menemukan hubungan yang kuat antara masing-masing terminasi dan bentuk garis Raman yang unik. Lebih lanjut, bentuk garis spektral berubah secara signifikan ketika satu molekul pewarna diperkenalkan ke permukaan.

"Interferensi ini sangat sensitif sehingga dapat mendeteksi keberadaan satu molekul," ujar Zhang. "Interferensi ini memungkinkan deteksi molekul tunggal tanpa label dengan pengaturan yang sederhana dan skalabel. Hasil kami membuka jalur baru untuk penggunaan fonon dalam penginderaan kuantum dan deteksi molekuler generasi mendatang."

Ketika melihat dinamika efek pada suhu rendah, itu telah dikonfirmasi bahwa interferensi tersebut murni berasal dari interaksi fonon dan bukan elektron, menjadikannya kasus langka dari interferensi kuantum fonon saja. 

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

“Dibandingkan dengan sensor konvensional, metode kami menawarkan sensitivitas tinggi tanpa memerlukan label kimia khusus atau pengaturan perangkat yang rumit,” kata rekan penulis Shengxi Huang, profesor madya teknik listrik dan komputer dan ilmu material dan nanoengineering di Rice. “Pendekatan berbasis fonon ini tidak hanya memajukan penginderaan molekuler tetapi juga membuka kemungkinan menarik dalam energi pemanenan, manajemen termal, dan teknologi kuantum, di mana pengendalian getaran adalah kuncinya.”

Geser untuk menggulir →

Berinvestasi dalam Komputasi Kuantum

Beberapa raksasa teknologi dan investor besar bertaruh besar pada terobosan kuantum. Ini termasuk: IBM (IBM ), Google, Amazon, Microsoft (MSFT ), dan masih banyak lagi. Mereka semua sedang meningkatkan skala inisiatif kuantum mereka, sementara modal ventura terus mengalir tanpa henti ke perusahaan rintisan yang mengeksplorasi material baru, koreksi kesalahan, dan teknologi fononik.

Microsoft (MSFT )

Di antara semua nama besar ini, Microsoft menonjol secara signifikan. Microsoft telah mendorong investasi kuantum dan fusi, mempromosikan keduanya sebagai teknologi pelengkap untuk mendukung pusat data berbasis AI di masa depan. Senada dengan itu, lab 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 puncaknya di atas $524 pada bulan Agustus, sebelum turun kembali ke sekitar $509 pada 19 Agustus. Valuasi perusahaan saat ini mencakup rasio P/E sebesar 38.1, dengan laba per saham (TTM) sebesar $13.70 dan imbal hasil dividen sebesar 0.59%. Untuk tahun fiskal 2025, pendapatan mencapai $281.7 miliar dan laba bersih sebesar $101.8 miliar. Permintaan untuk bisnis cloud dan AI-nya, khususnya, turut mendorong kinerja perusahaan.

Update Perusahaan Microsoft (MSFT) Berita dan Perkembangan Saham

Kesimpulan

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

Tapi tentu saja, komputer kuantum masih jauh dari kenyataan. masih, menghadapi tantangan seperti kebisingan, skalabilitas, stabilitas, penyimpanan, memori, dan kontrol. Namun di sisi positifnya, para peneliti terus membuat kemajuan dalam berbagai bidang ini, dan bersama-sama mereka membawa kita lebih dekat untuk menemukan komputer kuantum yang praktis!

Klik di sini untuk daftar lima perusahaan komputasi kuantum teratas.

Referensi:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., dkk. Komputasi kuantum universal menggunakan anyon Ising dari teori medan kuantum topologi non-semisimple. Alam Komunikasi, 16, 6408, diterbitkan 05 Agustus 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (2025 Agustus 15). AI membantu merakit 'otak' komputer kuantum masa depan. Alam. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, JM, Jepsen, PN, dkk. Demonstrasi eksperimental distilasi keadaan ajaib logis. Alam, diterbitkan 14 Juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, AB, Golami, O., Yu, Y., dkk. Memori kuantum mekanis untuk foton gelombang mikro. Fisika Alam, diterbitkan 13 Agustus 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, EL, Lado, JL, & Chen, G. Mode nol topologi dan pemompaan korelasi dalam kisi Kondo yang direkayasa. Physical Review Letters, 134(11), 116605, diterbitkan Maret 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., dkk. Interferensi kuantum fononik yang dapat disetel yang diinduksi oleh logam dua dimensi. Kemajuan ilmu pengetahuan, 11, eadw1800, diterbitkan 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800