Ilmuwan Temukan Cara Baru Hubungkan Jutaan Qubit

Para ilmuwan dari Universitas Warwick dan NRC Kanada mengusulkan arsitektur baru bernama Quantum Phononic Links (QPL) yang berpotensi mengatasi salah satu hambatan terbesar dalam pengembangan komputer kuantum, yakni komunikasi jarak jauh antarqubit. Teknologi ini memanfaatkan getaran mirip suara atau fonon untuk mengirimkan informasi kuantum melalui material semikonduktor.

Penelitian yang dipublikasikan dalam APL Quantum tersebut menawarkan pendekatan berbeda dari sistem konektivitas kuantum yang selama ini mengandalkan gelombang mikro maupun gelombang akustik permukaan.

Tantangan Menghubungkan Jutaan Qubit

Komputer kuantum bekerja menggunakan qubit atau quantum bit, unit informasi yang berbeda dari bit pada komputer konvensional. Jika bit biasa hanya dapat berada pada kondisi 0 atau 1, qubit dapat memanfaatkan prinsip mekanika kuantum untuk membawa informasi dalam keadaan yang lebih kompleks.

Namun, kemampuan tersebut baru akan memberikan manfaat besar apabila komputer kuantum dapat mengoperasikan qubit dalam jumlah sangat besar.

Saat ini, salah satu persoalan penting adalah bagaimana membuat qubit yang letaknya berjauhan tetap dapat berkomunikasi. Pada sejumlah arsitektur kuantum yang ada, koneksi langsung umumnya lebih mudah dilakukan antara qubit yang berdekatan.

Masalah tersebut menjadi semakin rumit ketika jumlah qubit ditingkatkan dari ribuan menjadi jutaan. Para peneliti memperkirakan komputer kuantum skala besar membutuhkan koordinasi terhadap jutaan qubit yang tersebar di area chip semikonduktor.

Artinya, selain meningkatkan jumlah qubit, para ilmuwan juga harus menemukan sistem komunikasi yang mampu menghubungkan qubit dalam jarak lebih jauh tanpa membuat arsitektur perangkat menjadi terlalu rumit.

Fonon sebagai "Bus" Kuantum

Di sinilah konsep Quantum Phononic Links yang dikembangkan tim Universitas Warwick dan NRC Kanada menjadi menarik. QPL menggunakan fonon sebagai media untuk membawa informasi kuantum. Secara sederhana, fonon dapat dipahami sebagai kuanta getaran dalam suatu material. Konsep ini mirip dengan bagaimana gelombang suara merambat melalui medium, meskipun mekanisme fisiknya berada pada skala kuantum.

Dalam rancangan tersebut, getaran yang dikendalikan secara presisi dapat menjadi semacam "bus kuantum", yakni jalur komunikasi yang memungkinkan qubit bertukar informasi meskipun posisinya tidak berdekatan.

Dr. Maksym Myronov dari Departemen Fisika Universitas Warwick menjelaskan bahwa konektivitas qubit jarak jauh merupakan salah satu tantangan utama dalam komputasi kuantum. Menurutnya, konsep QPL memungkinkan fonon digunakan untuk menghubungkan qubit yang berjauhan sekaligus tetap mempertahankan kompatibilitas dengan teknologi semikonduktor.

Jika berhasil direalisasikan secara praktis, pendekatan tersebut dapat menjadi salah satu komponen penting dalam membangun prosesor kuantum dengan jumlah qubit jauh lebih besar.

Menggunakan Germanium yang Diregangkan

Salah satu bagian penting dari penelitian ini adalah material yang digunakan untuk membangun koneksi tersebut. Para peneliti memanfaatkan germanium yang mengalami regangan kompresif pada silikon, yang disebut compressively strained germanium-on-silicon atau cs-GoS.

Material tersebut dikembangkan di Universitas Warwick menggunakan teknik pertumbuhan epitaksial. Struktur material ini memungkinkan lapisan germanium tipis ditempatkan pada silikon dengan kondisi regangan tertentu.

Dalam struktur tersebut, qubit menjadi sangat sensitif terhadap getaran kecil yang melewati lapisan kristal germanium. Dengan mengendalikan getaran tersebut, para peneliti menunjukkan secara teoritis bahwa informasi kuantum berpotensi ditransfer dari satu qubit ke qubit lainnya.

Menariknya, konsep ini tidak hanya ditujukan untuk menghubungkan qubit yang berdekatan. Para peneliti menyatakan bahwa mekanisme tersebut secara prinsip dapat digunakan untuk menghubungkan qubit yang berada jauh satu sama lain dalam chip semikonduktor dengan diameter hingga 300 milimeter.

Ukuran 300 mm sendiri penting dalam konteks industri semikonduktor karena wafer berdiameter tersebut telah menjadi salah satu format standar dalam manufaktur chip modern.

Berbeda dari Gelombang Mikro

Sistem komunikasi qubit jarak jauh bukanlah gagasan baru. Sejumlah pendekatan sebelumnya memanfaatkan gelombang mikro atau gelombang akustik permukaan untuk mengirimkan informasi antarbagian prosesor kuantum.

Namun, metode tersebut dapat membutuhkan komponen tambahan serta rancangan perangkat yang kompleks. Semakin besar jumlah qubit yang ingin dihubungkan, semakin besar pula tantangan dalam mengelola komponen dan jalur komunikasi tersebut.

QPL mencoba mengatasi persoalan itu dengan menempatkan mekanisme komunikasi langsung ke dalam material semikonduktor yang digunakan untuk menampung qubit.

Dengan kata lain, sistem komunikasi tidak sepenuhnya bergantung pada perangkat eksternal yang ditambahkan ke chip. Pendekatan ini berpotensi membuat arsitektur prosesor kuantum menjadi lebih ringkas.

Selain itu, karena konsep QPL dirancang agar kompatibel dengan teknik manufaktur semikonduktor yang sudah berkembang, teknologi tersebut memiliki peluang untuk dikembangkan menggunakan proses produksi yang lebih dekat dengan industri chip konvensional.

Menuju Komputer Kuantum Skala Besar

Kemampuan menghubungkan qubit dalam jarak jauh menjadi semakin penting ketika industri dan akademisi berusaha meningkatkan skala komputer kuantum. Menambah jumlah qubit secara fisik saja tidak cukup. Qubit tersebut harus dapat berkomunikasi, dikendalikan, dan dikorelasikan dengan tingkat keandalan yang sangat tinggi.

Karena itu, arsitektur konektivitas menjadi bagian penting dalam perjalanan menuju komputer kuantum dengan jutaan qubit.

Quantum Phononic Links menawarkan salah satu kemungkinan untuk menyelesaikan persoalan tersebut dengan memanfaatkan fonon sebagai media komunikasi internal pada chip. Jika konsep ini dapat diwujudkan dalam perangkat nyata dan mampu mempertahankan kualitas informasi kuantum selama proses transfer, QPL berpotensi membantu meningkatkan skala prosesor kuantum.

Meski demikian, penelitian ini masih berada pada tahap konsep. Tantangan seperti pengendalian fonon secara presisi, menjaga informasi kuantum dari gangguan lingkungan, serta mengintegrasikan sistem tersebut ke dalam prosesor kuantum yang beroperasi secara penuh masih harus dibuktikan melalui eksperimen lebih lanjut.

Terlepas dari tantangan tersebut, penelitian Warwick dan NRC Kanada menunjukkan bahwa masa depan komputer kuantum tidak hanya bergantung pada seberapa banyak qubit yang dapat ditempatkan dalam sebuah chip. Kemampuan menghubungkan qubit secara efisien juga menjadi kunci. Dengan menjadikan getaran dalam material sebagai jalur komunikasi kuantum, Quantum Phononic Links menawarkan pendekatan baru yang berpotensi membawa prosesor kuantum lebih dekat menuju skala jutaan qubit.