Terobosan Quantum Source Bikin Komunikasi Kuantum Lebih Stabil

Perkembangan teknologi komunikasi kuantum kembali mencatat kemajuan penting. Quantum Source Labs, perusahaan komputasi kuantum asal Israel, bersama Israel Directorate of Defense Research & Development (DDR&D) berhasil mendemonstrasikan teknologi sumber atom tunggal yang mampu menghasilkan entangled photon pairs berkualitas tinggi secara sesuai permintaan (on-demand).

Keberhasilan tersebut tidak hanya menunjukkan kemampuan menghasilkan pasangan foton dengan tingkat akurasi tinggi, tetapi juga membuktikan bahwa keterjeratan kuantum dapat dipertahankan saat dikirim melalui lebih dari satu kilometer serat optik standar tanpa memerlukan sistem stabilisasi polarisasi aktif, mekanisme umpan balik (feedback), maupun proses kalibrasi jalur komunikasi.

Pencapaian ini dinilai sebagai salah satu langkah penting dalam mewujudkan jaringan komunikasi kuantum yang lebih sederhana, tangguh, dan siap diterapkan di dunia nyata. Selama ini, salah satu tantangan terbesar dalam pengembangan komunikasi kuantum adalah menjaga kualitas keterjeratan foton ketika sinyal melewati kabel serat optik yang dipengaruhi perubahan suhu, tekanan mekanis, hingga gangguan lingkungan.

Dalam demonstrasi yang dilakukan tim peneliti, seluruh tantangan tersebut berhasil diatasi tanpa memerlukan sistem kompensasi tambahan.

Menjawab Tantangan Komunikasi Kuantum Modern

Komunikasi kuantum merupakan salah satu teknologi yang diyakini akan menjadi fondasi internet masa depan. Teknologi ini menawarkan tingkat keamanan yang jauh lebih tinggi dibandingkan komunikasi digital konvensional karena memanfaatkan prinsip mekanika kuantum.

Agar sistem tersebut dapat bekerja dengan baik, dibutuhkan pasangan foton yang entangled photons. Pasangan foton inilah yang membawa informasi kuantum dan memungkinkan berbagai aplikasi seperti Quantum Key Distribution (QKD), jaringan kuantum, komputasi kuantum terdistribusi, hingga internet kuantum.

Namun, menghasilkan pasangan foton berkualitas tinggi bukanlah perkara mudah.

Saat ini sebagian besar laboratorium masih menggunakan metode Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC). Teknik ini menghasilkan pasangan foton secara acak sehingga peluang keberhasilannya relatif rendah.

Ketika peneliti mencoba meningkatkan jumlah pasangan foton yang dihasilkan, muncul konsekuensi berupa terbentuknya banyak pasangan foton tambahan yang tidak diinginkan. Fenomena tersebut menyebabkan kualitas keterjeratan atau entanglement fidelity menurun dan mengurangi performa sistem komunikasi kuantum secara keseluruhan.

Menggunakan Atom Rubidium Sebagai Sumber Foton

Quantum Source menawarkan pendekatan yang berbeda melalui teknologi sumber foton deterministik. Alih-alih mengandalkan proses acak, perusahaan tersebut menggunakan satu atom rubidium yang ditempatkan di dalam optical cavity berukuran mikroskopis. Rongga optik ini dirancang untuk memperkuat interaksi antara atom dengan cahaya sehingga memungkinkan pengendalian emisi foton secara presisi.

Saat menerima sinyal pemicu, atom rubidium memancarkan dua foton hanya dalam waktu puluhan nanodetik. Kedua foton tersebut langsung berada dalam kondisi saling terjerat sejak pertama kali dihasilkan.

Karena proses pembentukannya dapat dipicu kapan saja sesuai kebutuhan, teknologi ini mampu menyediakan pasangan foton dengan probabilitas keberhasilan tinggi sekaligus menjaga kualitas keterjeratan tetap optimal.

Kemampuan menghasilkan pasangan foton secara deterministik menjadi salah satu syarat penting untuk membangun sistem komputasi kuantum maupun jaringan kuantum berskala besar.

Menghilangkan Kompromi Antara Jumlah dan Kualitas Foton

Chief Scientist Quantum Source, Prof. Barak Dayan, menjelaskan bahwa metode probabilistik yang selama ini digunakan selalu menghadapi kompromi antara jumlah foton yang dihasilkan dengan kualitas keterjeratan.

Menurutnya, semakin tinggi peluang menghasilkan pasangan foton, semakin besar pula kemungkinan muncul pasangan tambahan yang tidak diharapkan. Akibatnya, sistem menghasilkan lebih banyak kesalahan yang dapat mengurangi akurasi komunikasi maupun komputasi kuantum.

Ia menegaskan bahwa ketika sebuah aplikasi membutuhkan pasangan foton dengan probabilitas keberhasilan tinggi sekaligus tingkat fidelitas yang tinggi, penggunaan sumber foton deterministik menjadi solusi yang tidak dapat dihindari.

Teknologi tersebut diyakini akan menjadi komponen utama dalam komputer kuantum fotonik maupun jaringan kuantum yang membutuhkan jutaan pasangan foton berkualitas tinggi secara berkelanjutan.

Memanfaatkan Keunggulan Bell Singlet

Keberhasilan penelitian ini juga didukung oleh penggunaan keadaan kuantum Bell Singlet, salah satu dari empat keadaan Bell yang memiliki tingkat keterjeratan maksimum. Keadaan Bell Singlet memiliki karakteristik unik karena hubungan kuantum antara dua foton tetap terjaga meskipun keduanya mengalami perubahan polarisasi yang sama selama melewati media transmisi.

Hal tersebut berbeda dengan tiga keadaan Bell lainnya atau triplet states yang hasil pengukurannya masih dipengaruhi oleh basis polarisasi yang digunakan.

Sifat simetris Bell Singlet membuatnya secara alami kebal terhadap perubahan polarisasi akibat variasi suhu, tekanan mekanis, tekukan kabel serat optik, maupun gangguan lingkungan lainnya. Dengan kata lain, kualitas keterjeratan tetap terjaga meskipun kondisi kabel serat optik berubah-ubah selama proses transmisi.

Berhasil Diuji pada Serat Optik Lebih dari Satu Kilometer

Untuk membuktikan ketangguhan teknologi tersebut, tim peneliti melakukan pengiriman pasangan foton melalui lebih dari satu kilometer serat optik standar yang sama sekali tidak dilengkapi sistem stabilisasi. Selama proses transmisi, foton membutuhkan waktu lebih dari lima mikrodetik untuk mencapai ujung kabel.

Setelah dilakukan pengukuran, hasilnya menunjukkan bahwa kualitas keterjeratan pasangan foton tetap sama seperti ketika pertama kali dihasilkan.

Peneliti tidak menemukan adanya penurunan entanglement fidelity yang dapat diukur, meskipun selama pengujian mereka sengaja tidak menggunakan stabilisasi polarisasi, koreksi dispersi, maupun sistem umpan balik aktif.

Menurut Dayan, hasil tersebut menunjukkan bahwa pasangan foton keluar dari ujung serat optik dengan kualitas yang hampir identik saat pertama kali memasuki kabel.

Ketahanan tersebut merupakan konsekuensi langsung dari sifat simetris Bell Singlet, sehingga teknologi ini dinilai sangat menjanjikan untuk diterapkan pada jaringan komunikasi kuantum di luar laboratorium.

Berpotensi Mempercepat Pembangunan Jaringan Kuantum

Kombinasi antara sumber foton deterministik dan ketahanan alami terhadap gangguan polarisasi dinilai mampu mengatasi dua tantangan teknik terbesar dalam pengembangan komunikasi kuantum. Teknologi ini berpotensi mempercepat pembangunan berbagai infrastruktur kuantum, mulai dari jaringan kuantum metropolitan, sistem Quantum Key Distribution (QKD), quantum repeater, komputasi kuantum terdistribusi, hingga internet kuantum di masa depan.

Karena tidak lagi membutuhkan proses pelacakan maupun kalibrasi polarisasi secara terus-menerus, implementasi jaringan dapat dilakukan dengan lebih sederhana. Kompleksitas sistem berkurang, biaya operasional menjadi lebih rendah, kebutuhan pemeliharaan menurun, dan keandalan jaringan dalam jangka panjang meningkat.

Selain dimanfaatkan pada sektor komunikasi, teknologi ini juga diperkirakan akan memainkan peran penting dalam pengembangan komputer kuantum fotonik generasi berikutnya yang membutuhkan jutaan pasangan foton dengan sinkronisasi waktu sangat presisi.