Mengenal Quantum Magnonics, Solusi Jaringan Kuantum Modern

Teknologi kuantum kini menjadi salah satu bidang paling menjanjikan dalam dunia sains dan teknologi modern. Banyak negara dan perusahaan besar berlomba mengembangkan komputer kuantum, jaringan komunikasi kuantum, hingga sensor kuantum yang jauh lebih presisi dibanding teknologi konvensional saat ini. Namun, di balik pesatnya perkembangan tersebut, ada satu tantangan besar yang masih menjadi perhatian utama para ilmuwan: bagaimana membuat berbagai sistem kuantum yang berbeda dapat saling berkomunikasi dengan baik.

Masalah ini mungkin terdengar sederhana, tetapi dalam dunia kuantum, tantangannya sangat kompleks. Setiap sistem kuantum memiliki cara kerja, karakteristik, dan “bahasa” fisika yang berbeda. Jika tidak ada penghubung yang tepat, maka sistem-sistem tersebut akan sulit bekerja sama.

Di sinilah bidang yang disebut quantum magnonics atau quantum magnonics menjadi sangat penting. Bidang ini berfokus pada pemanfaatan magnon—gelombang magnetik skala atom—sebagai jembatan komunikasi antar sistem kuantum.

Salah satu peneliti yang aktif mengembangkan bidang ini adalah Asisten Profesor Jing Xu dari University of Central Florida melalui Experimental Quantum Magnetics Laboratory (EQMag Lab). Penelitian yang dilakukan timnya membuka peluang besar bagi lahirnya sistem kuantum generasi berikutnya yang lebih terhubung, efisien, dan dapat digunakan secara luas di masa depan.

Mengapa Sistem Kuantum Sulit Saling Terhubung?

Dalam dunia teknologi kuantum, ada banyak jenis sistem yang digunakan untuk menjalankan fungsi berbeda. Misalnya, qubit superkonduktor sangat baik untuk pemrosesan informasi kuantum. Foton optik sangat efektif untuk mengirim informasi dalam jarak jauh. Resonator mekanik unggul dalam interaksi fisik tertentu, sementara sistem spin sangat baik untuk penyimpanan informasi.

Masalahnya, masing-masing sistem ini bekerja dengan prinsip fisika yang berbeda. Akibatnya, mereka tidak bisa langsung “berbicara” satu sama lain secara alami.

Sebagai gambaran sederhana, kondisi ini mirip seperti seseorang yang hanya bisa berbahasa Indonesia harus berkomunikasi dengan orang lain yang hanya memahami bahasa Jepang. Tanpa penerjemah, komunikasi akan sulit terjadi.

Dalam teknologi klasik, masalah seperti ini sudah biasa diatasi. Ketika seseorang mengirim pesan dari ponsel ke belahan dunia lain, sinyal awalnya mungkin berupa gelombang radio menuju router WiFi. Router kemudian mengubah sinyal itu menjadi cahaya optik agar bisa dikirim melalui kabel serat optik. Setelah sampai di tujuan, sinyal diubah lagi ke bentuk lain agar dapat diterima perangkat penerima.

Namun dalam sistem kuantum, proses konversi seperti ini jauh lebih sulit karena informasi kuantum sangat rapuh. Sedikit gangguan saja bisa merusak keadaan kuantum yang disebut quantum coherence. Jika hal ini terjadi, informasi kuantum bisa hilang sepenuhnya.

Magnon: Kandidat Penghubung Antar Dunia Kuantum

Untuk mengatasi masalah tersebut, para peneliti mengembangkan perangkat yang disebut transduser kuantum. Perangkat ini bertugas mengubah informasi dari satu sistem kuantum ke sistem lainnya tanpa merusak keadaan kuantumnya.

Di sinilah magnon menjadi kandidat yang sangat menjanjikan. Magnon adalah gelombang kolektif yang muncul ketika arah spin atau momen magnetik atom dalam suatu material berubah bersama-sama. Dalam bahasa sederhana, magnon adalah “gelombang getaran magnetik” yang terjadi pada tingkat atom.

Gelombang ini dapat dikendalikan untuk bergerak melalui material magnetik dan berinteraksi dengan berbagai sistem kuantum lain seperti foton, fonon, hingga qubit superkonduktor.

Karena kemampuannya berinteraksi dengan banyak platform berbeda, magnon dapat berfungsi sebagai jembatan komunikasi antar sistem kuantum.

Menurut Jing Xu, magnons sangat berguna karena tidak hanya fleksibel, tetapi juga dapat diintegrasikan dengan teknologi kuantum modern yang sudah banyak digunakan saat ini.

Ia menjelaskan bahwa magnons dapat menjalankan berbagai fungsi penting seperti pemrosesan informasi dan transduksi, yaitu proses mengubah sinyal dari satu bentuk ke bentuk lain. Hal ini menjadikan quantum magnonics sebagai salah satu bidang penelitian yang berkembang sangat cepat.

Dari Teori ke Laboratorium Nyata

Di laboratorium EQMag Lab, penelitian tidak hanya berhenti pada teori fisika. Jing dan timnya benar-benar merancang, membuat, dan menguji perangkat kuantum secara langsung.

Alur kerja mereka dimulai dari desain perangkat, dilanjutkan dengan proses nanofabrikasi, pengukuran performa, analisis hasil, lalu optimasi berulang hingga diperoleh sistem terbaik.

Tujuan utama mereka adalah membangun antarmuka antara magnon dan foton gelombang mikro yang dikendalikan oleh qubit superkonduktor dalam sirkuit kuantum. Selain itu, mereka juga ingin menghubungkan magnon dengan fonon (getaran mekanik kuantum) dan foton optik.

Untuk mencapai tujuan tersebut, mereka membuat chip hibrida yang menggabungkan material magnetik dengan sirkuit superkonduktor, bahkan terkadang ditambah komponen optik dan mekanik dalam satu perangkat.

Semua komponen ini dipasang dalam satu chip agar interaksi antar sistem dapat dikontrol secara sangat presisi. Dari sinilah mereka menguji apakah magnon benar-benar mampu mentransfer informasi kuantum dari satu sistem ke sistem lainnya secara andal.

Tantangan Besar: Magnet vs Superkonduktor

Meski terdengar menjanjikan, menggabungkan material magnetik dengan sirkuit superkonduktor bukanlah hal mudah. Masalah utamanya adalah medan magnet.

Superkonduktor pada dasarnya tidak menyukai medan magnet karena medan magnet dapat merusak sifat superkonduktivitasnya—yaitu kondisi ketika listrik dapat mengalir tanpa hambatan.

Jing menjelaskan bahwa superkonduktor Tipe I sangat sensitif terhadap medan magnet. Jika terkena medan magnet yang kuat, superkonduktivitasnya akan hilang. Karena itu, timnya menggunakan superkonduktor Tipe II yang lebih tahan terhadap medan magnet. Pada material ini, medan magnet dapat masuk dalam bentuk vorteks atau pusaran kecil.

Jika vorteks tersebut dapat dikendalikan, maka superkonduktivitas masih bisa dipertahankan. Ada beberapa cara untuk memperlambat atau menghentikan pergerakan vorteks ini. Salah satunya adalah membuat lubang kecil pada lapisan tipis superkonduktor agar vorteks “terjebak” dan tidak bergerak bebas.

Cara lain adalah menggunakan material magnetik tertentu untuk menarik vorteks agar tetap diam.

Selain itu, penggunaan superkonduktor dengan suhu kritis lebih tinggi juga membantu menjaga kestabilan sistem. Bahkan sinyal frekuensi sangat tinggi di wilayah gigahertz hingga terahertz dapat dimanfaatkan untuk mengontrol sirkuit tanpa merusak superkonduktivitasnya.

Pendinginan Ekstrem untuk Menjaga Keadaan Kuantum

Salah satu hal paling menarik dalam penelitian kuantum adalah kebutuhan akan suhu yang sangat ekstrem. Untuk membuat perangkat kuantum bekerja, Jing dan timnya harus mendinginkan sistem hingga hanya beberapa milikelvin—sekitar dua tingkat magnitudo lebih dingin daripada suhu luar angkasa.

Mengapa harus sedingin itu?

Karena keadaan kuantum sangat rapuh. Jika suhu terlalu tinggi, energi panas dari lingkungan akan menciptakan gangguan acak yang disebut eksitasi termal. Gangguan ini dapat menghancurkan koherensi kuantum dan membuat eksperimen gagal total.

Untuk mencapai suhu ekstrem tersebut, mereka menggunakan Bluefors LD400 dilution refrigerator, lemari pendingin dilusi pertama di Florida yang khusus digunakan untuk penelitian ilmu informasi kuantum. Perangkat ini mampu menurunkan suhu dari suhu ruangan ke 10 milikelvin hanya dalam waktu sekitar 22 jam.

Angka ini sangat cepat dibanding sistem cryostat lama yang bisa membutuhkan waktu berhari-hari bahkan berminggu-minggu. Kecepatan ini sangat penting karena memungkinkan peneliti melakukan lebih banyak eksperimen dalam waktu singkat.

Jing menyebut bahwa kestabilan sistem Bluefors juga memberi keuntungan besar karena mereka dapat melakukan pengujian perangkat selama berminggu-minggu dalam kondisi yang sangat stabil. Hal ini tidak hanya meningkatkan kualitas riset, tetapi juga memberi mahasiswa lebih banyak pengalaman langsung dengan teknologi kuantum canggih.

Masa Depan Magnon dan Ekosistem Kuantum

Ke depan, Jing percaya bahwa magnon akan menjadi komponen penting dalam arsitektur kuantum masa depan. Selain kompatibel dengan banyak sistem kuantum lain, magnon juga memiliki keunggulan dalam hal pengaturan frekuensi dan efisiensi ruang.

Perangkat magnonik dapat dibuat sangat kecil. Dibanding resonator gelombang mikro biasa, lapisan tipis magnetik hanya membutuhkan sebagian kecil ruang untuk menghasilkan kepadatan informasi yang sama.

Hal ini sangat penting ketika sistem kuantum berkembang menjadi skala besar, di mana efisiensi ruang menjadi faktor utama. Jing juga berharap University of Central Florida dapat menjadi pusat penelitian kuantum utama di Florida.

Ia mendorong kolaborasi antara universitas, laboratorium nasional, institusi riset, dan pelaku industri agar tercipta ekosistem kuantum yang kuat. Menurutnya, ekosistem seperti ini sangat penting agar mahasiswa tidak hanya memahami teori, tetapi juga mengetahui keterampilan nyata yang dibutuhkan industri kuantum masa depan.

Penutup

Quantum magnonics mungkin masih terdengar asing bagi banyak orang, tetapi bidang ini berpotensi menjadi salah satu fondasi terpenting dalam masa depan teknologi kuantum. Jika komputer kuantum adalah mesin masa depan, maka magnons bisa menjadi jalur komunikasi yang membuat semua komponennya bekerja bersama.

Melalui penelitian mendalam, eksperimen langsung, dan dukungan teknologi kriogenik canggih, Jing Xu dan timnya sedang membangun jembatan yang memungkinkan sistem kuantum tidak hanya lebih kuat, tetapi juga lebih terhubung.

Dan bisa jadi, dari laboratorium inilah lahir fondasi bagi internet kuantum dan komputer supermasa depan yang selama ini hanya kita bayangkan dalam teori.