Tim peneliti mencapai terobosan di bidang komunikasi kuantum, berhasil menghasilkan pasangan foton dengan kemiripan 90%

Peneliti dari Universitas Basel, Ruhr, dan Paderborn bekerja sama mencapai terobosan besar di bidang komunikasi kuantum, berhasil menghasilkan pasangan foton yang 90% identik. Partikel-partikel yang hampir tidak dapat dibedakan ini dapat digunakan untuk mewujudkan kekaitan kuantum atau interferensi, fenomena yang krusial bagi komunikasi kuantum. Pemahaman terhadap fisika kuantum membuka bidang baru bagi komputasi dan penginderaan. Ilmuwan saat ini menggunakan berbagai material untuk menyimpan dan memproses informasi pada tingkat kuantum, dengan menerapkan berbagai metode, termasuk ion terperangkap, atom netral, rangkaian superkonduktor, serta foton sebagai qubit atau bit kuantum. Foton adalah salah satu pembawa informasi yang paling mudah dimanipulasi.

Namun, untuk menggunakannya dalam komunikasi kuantum, foton harus memiliki karakteristik yang sepenuhnya identik atau "tidak dapat dibedakan" satu sama lain. Upaya sebelumnya untuk menghasilkan foton semacam ini hanya berhasil terbatas, karena foton tersebut entah tidak terfokus dengan baik, entah hanya berkorelasi sesaat.

Teknologi Penghasilan Foton yang Menembus Batas

Upaya gabungan peneliti dari Basel, Ruhr, dan Paderborn berhasil mengatasi hambatan tersebut melalui titik kuantum semikonduktor. Peneliti menggunakan titik kuantum semikonduktor yang dilengkapi rongga resonansi optik, memanfaatkan proses yang disebut "peluruhan bieksiton" untuk menghasilkan foton yang hampir tidak dapat dibedakan. Dalam proses ini, molekul yang tersusun dari dua eksiton terikat mengalami peluruhan dan melepaskan satu eksiton dan satu foton. "Titik kuantum biasanya digambarkan sebagai atom buatan dalam semikonduktor, yang dapat menghasilkan foton tunggal," jelas Profesor Stefan Schumacher, profesor Struktur Fotoni Fungsional di Universitas Paderborn. "Dengan mengintegrasikannya ke dalam rongga optik khusus — mirip dengan rongga dalam laser — penelitian ini secara khusus mempercepat dan mengontrol proses emisi cahaya."

Eksiton tersusun dari satu elektron dan satu lubang elektron. Dalam proses ini, titik kuantum dieksitasi dua kali, kemudian eksitasi tersebut peluruh. Oleh karena itu, kaskade bieksiton menghasilkan dua foton, satu demi satu. Lebih penting lagi, pasangan foton dapat dihasilkan pada saat tombol ditekan, yang sangat berguna untuk penerapan teknologi era baru.

Metode Optimasi Kemurnian Foton

Tim peneliti mempelajari lebih lanjut interaksi antara titik kuantum dan rongga optik, penelitian yang dipimpin oleh Profesor Richard Warburton, profesor Fisika Kondensasi Eksperimental di Universitas Basel. Meskipun pekerjaan ini membantu mencapai kemajuan terobosan di berbagai bidang, tim peneliti gabungan memanfaatkan ilmu peluruhan bieksiton, membuat peluruhannya berjalan secara terkontrol. Hal ini membantu peneliti mencapai ketidakdapatdibedakan sebesar 90%, peningkatan dibandingkan 60% yang dicapai sebelumnya. Ketidakdapatdibedakan foton yang lebih tinggi berarti kesalahan lebih sedikit dalam pemrosesan data. "Kesesuaian yang sangat baik antara hasil dan prediksi teoritis menunjuk arah untuk menghasilkan foton dengan ketidakdapatdibedakan yang lebih tinggi," tambah Warburton dalam sebuah siaran pers.

"Mereka membuktikan bahwa peluruhan bieksiton dapat menghasilkan foton berkualitas sangat tinggi — asalkan sistem dikendalikan dengan baik dengan penggunaan rongga."

Ketua Perangkat Fotoni Kuantum Hybrid Universitas Paderborn, Klaus Jöns, menyatakan: "Kami menemukan bahwa kemurnian foton yang dihasilkan juga dapat dioptimalkan melalui rongga resonansi, hanya dibatasi oleh getaran dalam kisi semikonduktor (fonon). Fenomena ini disebut 'pemakanan rongga' (cavity feeding), yang harus dipertimbangkan dalam desain masa depan, dan dapat diminimalkan secara sistematis lebih lanjut." Hasil penelitian ini telah diterbitkan di jurnal Physical Review Applied.

Bagaimana Teknologi Baru Mendorong Pengembangan Komunikasi Kuantum

Penelitian ini menunjukkan potensi titik kuantum semikonduktor dalam komunikasi kuantum, khususnya melalui peluruhan bieksiton untuk menghasilkan foton berkualitas tinggi. Seiring dengan peningkatan ketidakdapatdibedakan foton, hal ini akan membantu meningkatkan keandalan komunikasi kuantum, serta mengurangi kesalahan dalam pemrosesan data. Hasil tim peneliti tidak hanya mendorong pengembangan teknologi komunikasi kuantum, tetapi juga berpotensi memengaruhi teknologi komputasi kuantum dan penginderaan masa depan, karena kedua bidang tersebut bergantung pada operasi bit kuantum yang efisien.