Terobosan dalam Teknologi Fotonik Kuantum Meningkatkan Komunikasi dan Efisiensi Energi

Barium titanate adalah bahan klasik yang telah dikenal sejak lama dengan sifat elektro-optik yang sangat kuat. Namun, meskipun potensinya besar, ia tidak pernah digunakan secara luas dalam industri karena sulitnya pengolahan dan stabilitas pada suhu ruang. Penelitian dari Penn State University menemukan cara baru dengan membentuk barium titanate menjadi lapisan tipis yang ditekan secara khusus. Teknik ini meningkatkan kemampuan bahan tersebut dalam mengubah sinyal listrik menjadi sinyal cahaya secara signifikan, hingga lebih dari sepuluh kali lipat dibanding teknologi sebelumnya. Kemampuan ini sangat penting dalam teknologi komputer kuantum, yang membutuhkan konversi sinyal elektronik ke fotonik agar informasi dapat dikirimkan melalui serat optik pada suhu kamar, tanpa perlu pendinginan berskala besar dan mahal. Selain itu, teknologi ini dapat membantu pusat data modern yang digunakan untuk berbagai layanan online dan kecerdasan buatan (AI). Dengan menggunakan cahaya untuk mengirimkan data, pusat data dapat mengurangi penggunaan energi yang selama ini dibutuhkan untuk mendinginkan perangkat elektronik yang menghasilkan panas. Penemuan ini membuka peluang besar bagi pengembangan teknologi masa depan yang lebih efisien dan ramah lingkungan, khususnya dalam bidang komputer kuantum dan infrastruktur data besar, dengan potensi pengganti material yang selama ini digunakan seperti lithium niobate.

Para ilmuwan telah berhasil menciptakan sebuah perangkat gelombang fotonik nonlinear yang dapat diprogram, yang memungkinkan perangkat tersebut berfungsi untuk berbagai aplikasi optik hanya dalam satu chip. Inovasi ini menggantikan aturan lama bahwa setiap perangkat hanya bisa melakukan satu fungsi, sebuah batasan yang selama ini menghambat pengembangan teknologi cahaya. Perangkat baru ini dibuat dengan inti silikon nitrida dan cara kerjanya sangat canggih, yaitu sifat optiknya bisa diubah secara langsung dengan memproyeksikan pola cahaya yang berbeda. Dengan mengubah pola tersebut, perangkat ini dapat melakukan berbagai fungsi optik nonlinear secara instan, misalnya membentuk pulsa cahaya atau menghasilkan harmonik kedua. Penerapan alat ini sangat luas, dari komputasi optik dan kuantum hingga komunikasi serta sumber cahaya yang dapat diatur sesuai kebutuhan. Daya tariknya termasuk pengurangan biaya produksi, efisiensi daya yang lebih baik, serta pengurangan ukuran dan kompleksitas sistem optik dalam berbagai aplikasi. Menurut para peneliti, teknologi ini membuka kemungkinan besar untuk pengembangan lebih lanjut, termasuk integrasi ke dalam berbagai material dan kemampuan menjalankan fungsi di tingkat kuantum. Laporan pasar memperkirakan potensi pasar untuk perangkat fotonik terintegrasi bisa melampaui 50 miliar dolar AS per tahun pada tahun 2035. Ke depan, teknologi ini diperkirakan akan mendukung kemajuan dalam 5G dan 6G, komputasi kuantum, serta berbagai aplikasi komunikasi dan sensor canggih. Para ilmuwan akan terus mengembangkan perangkat ini agar lebih fleksibel dan mudah diprogram sehingga teknologi berbasis cahaya menjadi lebih efisien dan adaptif.

Para peneliti di Jepang menemukan cara baru untuk mengubah limbah panas menjadi listrik yang lebih efisien dengan menggunakan teknologi kuantum. Limbah panas adalah energi yang sering hilang dari berbagai perangkat elektronik dan industri, dan teknologi baru ini berpotensi membantu mengurangi pemborosan energi tersebut. Mereka menggunakan sebuah sistem bernama Tomonaga-Luttinger liquid, yang merupakan keadaan kuantum unik yang tidak mudah mencapai kesetimbangan panas. Sistem ini mampu mempertahankan energi tinggi dalam bentuk non-termal yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik lebih efektif. Dalam eksperimen mereka, limbah panas dari transistor kuantum dialirkan ke sistem ini dan kemudian ke perangkat kecil yang mengubah panas menjadi listrik menggunakan efek kuantum. Hasilnya menunjukkan tegangan listrik yang lebih besar dan efisiensi lebih tinggi dibandingkan dengan sumber panas biasa. Peneliti juga mengembangkan model teoretis untuk menjelaskan bagaimana elektron dalam keadaan non-termal ini berperilaku dan bagaimana mereka bisa melewati batas efisiensi termodinamika yang selama ini dianggap tidak bisa dilampaui. Penemuan ini menawarkan harapan baru bagi teknologi elektronik yang hemat energi dan komputer kuantum masa depan yang lebih efisien, sekaligus membuka jalan bagi cara baru dalam mengelola energi limbah yang selama ini terbuang sia-sia.

Para peneliti dari University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) berhasil mengatasi masalah utama dalam komunikasi kuantum yang biasanya terjadi saat pengiriman foton melalui serat optik jarak jauh. Mereka menggunakan atom ytterbium-171 yang mampu memancarkan foton langsung pada panjang gelombang telecom yang kompatibel dengan infrastruktur serat optik saat ini. Penemuan ini memungkinkan pengiriman informasi kuantum dengan kecepatan dan keandalan lebih tinggi tanpa perlu melakukan konversi panjang gelombang yang sering menyebabkan kehilangan sinyal. Tim UIUC juga mengembangkan protokol jaringan paralel yang dapat meningkatkan laju entanglement dengan memanfaatkan banyak saluran secara bersamaan. Konsep mereka menggunakan susunan atom 1D yang diproyeksikan ke dalam array serat optik komersial, sehingga memastikan bahwa banyak operasi kuantum dapat dilakukan secara simultan tanpa gangguan atau crosstalk antar saluran. Pendekatan ini penting untuk memastikan skala jaringan kuantum yang lebih besar dan efektif. Selain itu, mereka memperkenalkan protokol mid-circuit yang menjaga koherensi data kuantum selama operasi jaringan berlangsung, menjamin stabilitas dan integritas informasi walaupun terjadi banyak koneksi secara bersamaan. Teknologi ini memungkinkan tercapainya fidelitas entanglement yang sangat tinggi, hingga 99 persen. Keunggulan lain dari sistem ini adalah kesesuaian geometris antara susunan atom ytterbium dengan array fiber yang membuat integrasi dengan perangkat dan jaringan optik yang sudah ada menjadi lebih mudah. Tim melihat potensi besar penerapan metode ini dalam berbagai tugas kuantum paralel, seperti sinkronisasi penginderaan dan komputasi terdistribusi.