Matt Trushheim membalik sakelar di lab gelap, dan laser hijau yang kuat menerangi berlian kecil yang ditahan di bawah mikroskop. Sebuah gambar muncul di layar komputer, awan gas tersebar dengan titik-titik hijau cerah. Titik bercahaya ini adalah cacat kecil di dalam intan di mana dua atom karbon digantikan oleh satu atom timah. Sinar laser yang melewatinya berpindah dari satu warna hijau ke warna hijau lainnya.
Nantinya, berlian ini akan didinginkan hingga mencapai suhu helium cair. Dengan mengontrol struktur kristal atom berlian berdasarkan atom, membawanya ke beberapa derajat di atas nol absolut dan menerapkan medan magnet, para peneliti di Quantum Photonics Laboratory, yang dipimpin oleh fisikawan Dirk Englund di MIT, berpikir bahwa mereka dapat memilih sifat mekanik kuantum foton dan elektron dengan presisi seperti itu. bahwa mereka dapat mentransfer kode rahasia yang tidak dapat dipecahkan.
Trushheim adalah salah satu dari banyak ilmuwan yang mencoba mencari tahu atom mana, yang berada dalam kristal, dalam kondisi apa yang memungkinkan mereka untuk menguasai tingkat ini. Faktanya, para ilmuwan di seluruh dunia mencoba mempelajari bagaimana mengendalikan alam pada tingkat atom dan di bawahnya, pada elektron atau bahkan sebagian kecil dari sebuah elektron. Tujuan mereka adalah menemukan simpul yang mengontrol sifat dasar materi dan energi, dan mengencangkan atau melepaskan simpul ini dengan mengubah materi dan energi, untuk menciptakan komputer kuantum atau superkonduktor super kuat yang bekerja pada suhu kamar.
Ilmuwan ini menghadapi dua tantangan utama. Pada tingkat teknis, sangat sulit untuk melakukan pekerjaan seperti itu. Beberapa kristal, misalnya, harus 99,9999999999% murni di ruang hampa udara yang lebih bersih daripada di luar angkasa. Tantangan yang bahkan lebih mendasar adalah bahwa efek kuantum yang ingin dikekang oleh para ilmuwan - misalnya, kemampuan sebuah partikel berada dalam dua keadaan pada saat yang sama, seperti kucing Schrödinger - muncul pada tingkat elektron individu. Dalam makrokosmos, keajaiban ini runtuh. Akibatnya, para ilmuwan harus memanipulasi materi pada skala terkecil, dan mereka dibatasi oleh batasan fisika fundamental. Keberhasilan mereka akan menentukan bagaimana pemahaman kita tentang ilmu pengetahuan dan kemampuan teknologi akan berubah dalam beberapa dekade mendatang.
Impian Alchemist
Memanipulasi materi, sampai batas tertentu, terdiri dari memanipulasi elektron. Pada akhirnya, perilaku elektron dalam suatu zat menentukan sifat-sifatnya secara keseluruhan - zat ini akan menjadi logam, konduktor, magnet, atau yang lainnya. Beberapa ilmuwan mencoba mengubah perilaku kolektif elektron dengan menciptakan substansi sintetik kuantum. Ilmuwan melihat bagaimana “kita mengambil isolator dan mengubahnya menjadi logam atau semikonduktor dan kemudian menjadi superkonduktor. Kami dapat mengubah bahan non-magnet menjadi magnet,”kata fisikawan Eva Andrew dari Rutgers University. "Ini adalah impian alkemis yang menjadi kenyataan."
Dan mimpi ini bisa mengarah pada terobosan nyata. Misalnya, para ilmuwan telah mencoba selama beberapa dekade untuk menciptakan superkonduktor yang bekerja pada suhu kamar. Dengan bantuan bahan-bahan ini, dimungkinkan untuk membuat saluran listrik yang tidak membuang energi. Pada tahun 1957, fisikawan John Bardeen, Leon Cooper, dan John Robert Schrieffer mendemonstrasikan bahwa superkonduktivitas terjadi ketika elektron bebas dalam logam seperti aluminium sejajar dalam apa yang disebut pasangan Cooper. Meskipun jaraknya relatif jauh, setiap elektron berhubungan dengan elektron lain, dengan putaran dan momentum yang berlawanan. Seperti pasangan yang menari dalam kerumunan di disko, pasangan elektron bergerak dalam koordinasi dengan orang lain, bahkan jika elektron lain lewat di antara mereka.
Video promosi:
Penjajaran ini memungkinkan arus mengalir melalui material tanpa menghadapi hambatan, dan karenanya tanpa kehilangan. Superkonduktor paling praktis yang dikembangkan hingga saat ini harus tepat di atas nol mutlak agar keadaan ini dapat dipertahankan. Namun, mungkin ada pengecualian.
Baru-baru ini, para peneliti telah menemukan bahwa membombardir material dengan laser intensitas tinggi juga dapat menjatuhkan elektron ke pasangan Cooper, meski hanya sebentar. Andrea Cavalleri dari Institut Max Planck untuk Struktur dan Dinamika Materi di Hamburg, Jerman, dan rekan-rekannya telah menemukan tanda-tanda superkonduktivitas yang diinduksi foto dalam logam dan isolator. Cahaya yang menghantam material menyebabkan atom bergetar, dan elektron dengan singkat memasuki kondisi superkonduktivitas. "Guncangannya harus hebat," kata David Esie, fisikawan materi terkondensasi di California Institute of Technology, yang menggunakan teknik laser yang sama untuk mewujudkan efek kuantum yang tidak biasa pada material lain. "Untuk sesaat, medan listrik menjadi sangat kuat - tetapi hanya untuk waktu yang singkat."
Kode yang tidak bisa dipecahkan
Mengontrol elektron adalah cara Trushheim dan Englund mengembangkan enkripsi kuantum yang tidak bisa dipecahkan. Dalam kasus mereka, tujuannya bukan untuk mengubah sifat material, tetapi untuk mentransfer sifat kuantum elektron dalam berlian desainer ke foton yang mengirimkan kunci kriptografi. Di pusat warna berlian di laboratorium Englund, elektron bebas berada, yang putarannya dapat diukur menggunakan medan magnet yang kuat. Putaran yang sejajar dengan bidang dapat disebut putaran 1, putaran yang tidak sejajar adalah putaran 2, yang akan setara dengan 1 dan 0 pada bit digital. "Ini adalah partikel kuantum, jadi ia bisa berada di kedua keadaan pada saat bersamaan," kata Englund. Bit kuantum, atau qubit, mampu melakukan banyak kalkulasi pada saat yang bersamaan.
Di sinilah properti misterius lahir - keterjeratan kuantum. Bayangkan sebuah kotak berisi bola merah dan biru. Anda dapat mengambilnya tanpa melihat dan memasukkannya ke dalam saku, lalu berangkat ke kota lain. Kemudian keluarkan bola dari saku Anda dan temukan bahwa warnanya merah. Anda akan segera mengerti bahwa ada bola biru di dalam kotak. Ini kebingungan. Di dunia kuantum, efek ini memungkinkan informasi ditransmisikan secara instan dan jarak jauh.
Pusat-pusat berwarna di berlian di laboratorium Englund mengirimkan status kuantum elektron yang dikandungnya ke foton melalui keterjeratan, menciptakan "qubit terbang", sebagaimana Englund menyebutnya. Dalam komunikasi optik konvensional, foton dapat ditransmisikan ke penerima - dalam hal ini, kekosongan kosong lainnya di berlian - dan status kuantumnya akan ditransfer ke elektron baru, sehingga kedua elektron terikat. Mengirimkan bit yang dikaburkan ini akan memungkinkan dua orang untuk berbagi kunci kriptografi. “Masing-masing memiliki rangkaian angka nol dan satu, atau putaran tinggi dan rendah, yang tampak benar-benar acak, tetapi keduanya identik,” kata Englund. Menggunakan kunci ini untuk mengenkripsi data yang dikirimkan, Anda dapat membuatnya benar-benar aman. Jika seseorang ingin mencegat transmisi, pengirim akan mengetahuinya,karena tindakan mengukur keadaan kuantum akan mengubahnya.
Englund sedang bereksperimen dengan jaringan kuantum yang mengirimkan foton ke serat optik melalui labnya, sebuah objek di Universitas Harvard, dan lab MIT lainnya di kota dekat Lexington. Para ilmuwan telah berhasil mentransfer kunci kuantum-kriptografi jarak jauh - pada tahun 2017, ilmuwan China melaporkan bahwa mereka telah mentransfer kunci seperti itu dari satelit di orbit Bumi ke dua stasiun bumi yang terpisah 1200 kilometer di pegunungan Tibet. Tetapi kecepatan bit eksperimen China terlalu rendah untuk komunikasi praktis: ilmuwan hanya mencatat satu pasangan yang membingungkan dari enam juta. Inovasi yang akan membuat jaringan kuantum kriptografi di bumi praktis adalah repeater kuantum, perangkat yang ditempatkan pada interval pada jaringan yang memperkuat sinyal,tanpa mengubah properti kuantumnya. Tujuan Englund adalah menemukan bahan dengan cacat atom yang sesuai sehingga repeater kuantum ini dapat dibuat darinya.
Triknya adalah membuat foton terjerat yang cukup untuk membawa data. Elektron dalam kekosongan tersubstitusi nitrogen mempertahankan putarannya cukup lama - sekitar satu detik - yang meningkatkan kemungkinan sinar laser melewatinya dan menghasilkan foton yang terjerat. Tetapi atom nitrogen kecil dan tidak mengisi ruang yang diciptakan oleh ketiadaan karbon. Oleh karena itu, foton yang berurutan dapat memiliki warna yang sedikit berbeda, yang berarti foton tersebut akan kehilangan korespondensinya. Atom lain, timah, misalnya, melekat erat dan menciptakan panjang gelombang yang stabil. Tetapi mereka tidak akan dapat menahan putaran cukup lama - oleh karena itu, pekerjaan sedang dilakukan untuk menemukan keseimbangan yang sempurna.
Bercabang
Sementara Englund dan yang lainnya mencoba mengatasi elektron individu, yang lain menyelam lebih dalam ke dunia kuantum dan mencoba memanipulasi fraksi elektron. Pekerjaan ini berakar pada sebuah eksperimen pada tahun 1982, ketika para ilmuwan di Bell Laboratory dan Lawrence Livermore National Laboratory mengapit dua lapisan kristal semikonduktor yang berbeda, mendinginkannya hingga mendekati nol absolut, dan menerapkan medan magnet yang kuat padanya, menjebak elektron dalam bidang di antara dua lapisan kristal. … Jadi, sejenis sup kuantum terbentuk di mana pergerakan setiap elektron ditentukan oleh muatan yang dirasakan dari elektron lain. "Ini bukan lagi partikel individu di dalam dan dari dirinya sendiri," kata Michael Manfra dari Purdue University. Bayangkan sebuah balet di mana setiap penari tidak hanya melakukan langkahnya sendiri,tetapi juga bereaksi terhadap gerakan pasangan atau penari lainnya. Itu semacam jawaban umum."
Hal yang aneh tentang semua ini adalah bahwa koleksi semacam itu dapat memiliki muatan pecahan. Elektron adalah unit yang tidak dapat dibagi, tidak dapat dipotong menjadi tiga bagian, tetapi sekelompok elektron dalam keadaan yang diinginkan dapat menghasilkan apa yang disebut partikel kuasi dengan 1/3 muatan. "Ini seperti elektron yang terpecah," kata Mohammed Hafezi, fisikawan di Joint Quantum Institute. "Ini sangat aneh". Hafezi menciptakan efek ini dalam graphene ultracold, lapisan karbon monatomik, dan baru-baru ini menunjukkan bahwa dia dapat memanipulasi gerakan kuasipartikel dengan menerangi graphene dengan laser. “Sekarang sedang dipantau,” katanya. “Nodul eksternal seperti medan magnet dan cahaya dapat dimanipulasi, ditarik ke atas, atau dilepaskan. Sifat perubahan kolektif sedang berubah."
Manipulasi kuasipartikel memungkinkan Anda membuat jenis qubit khusus - qubit topologis. Topologi adalah cabang matematika yang mempelajari sifat-sifat suatu benda yang tidak berubah meskipun benda itu dipelintir atau diubah bentuknya. Contoh tipikal adalah donat: jika benar-benar elastis, dapat dibentuk kembali menjadi cangkir kopi tanpa mengubah apa pun; lubang di donat akan memainkan peran baru di lubang di pegangan cangkir. Namun, untuk mengubah donat menjadi pretzel, Anda harus menambahkan lubang baru, mengubah topologinya.
Qubit topologis mempertahankan propertinya bahkan dalam kondisi yang berubah. Biasanya, partikel mengubah status kuantumnya, atau "dekohere", ketika sesuatu di lingkungannya terganggu, seperti getaran kecil yang disebabkan oleh panas. Tetapi jika Anda membuat qubit dari dua partikel semu yang dipisahkan oleh jarak, katakanlah, pada ujung kawat nano yang berlawanan, pada dasarnya Anda sedang memisahkan elektron. Kedua bagian harus mengalami pelanggaran yang sama untuk decohere, yang tidak mungkin terjadi.
Properti ini membuat qubit topologi menarik bagi komputer kuantum. Karena kemampuan qubit berada dalam superposisi banyak status pada saat yang sama, komputer kuantum harus mampu melakukan kalkulasi yang secara praktis tidak mungkin tanpanya, misalnya, untuk mensimulasikan Big Bang. Manfra pada dasarnya mencoba membangun komputer kuantum dari qubit topologi di Microsoft. Tetapi ada juga pendekatan yang lebih sederhana. Google dan IBM pada dasarnya mencoba membangun komputer kuantum dari kabel super dingin yang menjadi semikonduktor, atau atom terionisasi dalam ruang vakum, yang disatukan oleh laser. Masalah dengan pendekatan ini adalah bahwa mereka lebih sensitif terhadap perubahan lingkungan daripada qubit topologis, terutama jika jumlah qubit bertambah.
Dengan demikian, qubit topologis dapat merevolusi kemampuan kita untuk memanipulasi hal-hal kecil. Namun, ada satu masalah penting: mereka belum ada. Para peneliti sedang berjuang untuk membuatnya dari apa yang disebut partikel Majorana. Diusulkan oleh Ettore Majorana pada tahun 1937, partikel ini adalah antipartikelnya sendiri. Elektron dan antipartikelnya, positron, memiliki sifat-sifat yang identik, kecuali muatan, tetapi muatan partikel Majorana adalah nol.
Para ilmuwan percaya bahwa konfigurasi elektron dan lubang tertentu (tanpa elektron) dapat berperilaku seperti partikel Majorana. Mereka, pada gilirannya, dapat digunakan sebagai qubit topologi. Pada tahun 2012, fisikawan Leo Kouvenhoven dari Delft University of Technology di Belanda dan rekan-rekannya mengukur apa yang mereka pikir adalah partikel Majorana dalam jaringan kawat nano superkonduktor dan semikonduktor. Tetapi satu-satunya cara untuk membuktikan keberadaan kuasipartikel ini adalah dengan membuat qubit topologis berdasarkan mereka.
Pakar lain di bidang ini lebih optimis. “Saya pikir tanpa pertanyaan seseorang suatu hari akan membuat qubit topologi, hanya untuk bersenang-senang,” kata Steve Simon, ahli teori materi padat di Universitas Oxford. "Satu-satunya pertanyaan adalah apakah kita bisa menjadikan mereka komputer kuantum masa depan."
Komputer kuantum - serta superkonduktor suhu tinggi dan enkripsi kuantum yang tidak dapat dipecahkan - mungkin atau mungkin tidak muncul bertahun-tahun dari sekarang. Tetapi pada saat yang sama, para ilmuwan mencoba menguraikan misteri alam dalam skala terkecil. Sejauh ini, tidak ada yang tahu seberapa jauh mereka bisa melangkah. Semakin dalam kita menembus ke dalam komponen terkecil dari alam semesta kita, semakin mereka mendorong kita keluar.
Ilya Khel
