Terobosan dalam Fisika Kuantum dan Komputasi Kuantum

Komputer kuantum menjanjikan kemampuan luar biasa dalam memecahkan masalah yang sangat sulit bagi komputer biasa, tetapi menghadapi tantangan besar dalam menjaga kestabilan qubit yang sangat sensitif terhadap gangguan lingkungan. Qubit menggunakan superkonduktor seperti niobium untuk menyimpan informasi, namun cacat kecil di permukaannya sering mengganggu proses ini dan menyebabkan informasi kuantum hilang. Profesor Peng Wei dari UC Riverside mengembangkan cara unik dengan melapisi niobium menggunakan lapisan emas yang sangat tipis sekitar sepuluh atom untuk menutup cacat tersebut tanpa merusak sifat superkonduktor bahan itu. Lapisan emas ini bersifat inert dan tahan terhadap oksidasi, sehingga melindungi permukaan dan menjaga kestabilan sinyal dalam sirkuit kuantum, memungkinkan komputer kuantum menjadi lebih stabil dan dapat diskalakan. Inovasi ini mendapat perhatian dari institusi besar dan UC Riverside sudah mengajukan paten untuk teknik ini, dengan rencana komersialisasi melalui startup yang sedang dikembangkan.

Para ilmuwan di Max Planck Institute for Nuclear Physics berhasil mendeteksi antineutrino dari reaktor nuklir menggunakan detector kecil seberat 3 kg melalui eksperimen CONUS+. Mereka memanfaatkan proses Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), di mana neutrino berinteraksi secara koheren dengan seluruh inti atom dalam detector, meningkatkan peluang terdeteksinya partikel yang sangat lemah interaksinya ini. Eksperimen dilakukan sekitar 20 meter dari inti reaktor di pembangkit listrik nuklir Leibstadt, Swiss, dengan menggunakan tiga detector germanium masing-masing 1 kg. Selama sekitar 119 hari pengukuran, para peneliti berhasil mengidentifikasi ratusan sinyal neutrino yang sesuai dengan perhitungan teoritis, memberikan bukti kuat bahwa metode ini efektif untuk mendeteksi neutrino pada energi rendah dari reaktor. Efek CEvNS sendiri telah diprediksi sejak tahun 1974 dan pertama kali diamati pada tahun 2017 di akselerator partikel, tetapi CONUS+ mencatat pengamatan pertama dari sumber reaktor. Hasil ini membuka peluang bagi penggunaan teknik CEvNS dalam pengembangan detector neutrino kecil dan portabel, berguna untuk monitoring reaktor nuklir tanpa harus menggunakan alat yang sangat besar dan kompleks. Selain aplikasi praktis, pengukuran CONUS+ juga sangat penting untuk pengujian model standar fisika partikel, membantu memahami interaksi fundamental antara neutrino dan materi serta menyingkap kemungkinan fisika di luar model saat ini. Eksperimen ini juga mengurangi ketergantungan pada aspek fisika nuklir yang sebelumnya membatasi akurasi eksperimen sejenis. Penelitian ini terus dikembangkan dengan pemasangan detector yang lebih besar dan teknologi yang lebih baik pada musim gugur 2024 dengan harapan meningkatkan akurasi pengukuran dan membuka jalan untuk penemuan baru dalam bidang neutrino dan fisika partikel secara umum.

Neutrino adalah partikel yang sangat sulit dideteksi karena tidak memiliki muatan listrik dan hampir tidak berinteraksi dengan materi. Untuk menangkap neutrino, selama ini para ilmuwan menggunakan detektor besar yang memiliki massa hingga ribuan ton agar dapat memperoleh jumlah neutrino yang cukup untuk diobservasi. Namun, sebuah tim ilmuwan telah berhasil mengembangkan detektor miniatur yang hanya berbobot beberapa kilogram yang mampu mendeteksi neutrino yang diproduksi oleh reaktor nuklir. Eksperimen ini disebut CONUS+ dan dilakukan di sebuah pembangkit listrik tenaga nuklir di Liebstadt, Swiss. Detektor kecil tersebut menggunakan teknik yang disebut coherent scattering. Pada teknik ini, neutrino berinteraksi dengan seluruh inti atom secara bersamaan, sehingga inti atom sedikit bergeser atau recoiling, dan energi kecil yang dihasilkan ini dapat dideteksi. Salah satu keuntungan mendeteksi neutrino dari reaktor dengan energi rendah adalah kemampuan untuk melakukan pengujian yang lebih presisi terhadap model standar fisika. Penemuan ini juga membuka jalan bagi penelitian lebih lanjut tentang neutrino dan fenomena fisika dasar lainnya. Penemuan ini dianggap terobosan penting oleh para fisikawan seperti Kate Scholberg dan Christian Buck karena menandakan bahwa detektor kecil bisa digunakan secara efektif untuk eksperimen neutrino, yang sebelumnya hanya dilakukan dengan perangkat yang sangat besar.

Xanadu dan HyperLight berhasil menciptakan chip fotonik berbasis lithium niobate film tipis (TFLN) dengan kerugian optik yang sangat rendah. Hal ini sangat penting untuk pengembangan komputer kuantum fotonik yang bisa diskalakan dan diproduksi secara komersial dalam volume besar. Kerugian gelombang pandu pada chip tersebut berhasil dikurangi hingga di bawah 2 dB per meter, sedangkan kerugian pada saklar elektro-optik berada pada level 20 mdB, sebuah pencapaian yang sangat jarang dicapai dalam perangkat keras kuantum fotonik. Keberhasilan ini tidak hanya dilihat dari angka, tapi juga dari proses pembuatannya yang sudah menggunakan standar industri semikonduktor, sehingga chip-chip ini bisa diproduksi secara massal dan digunakan untuk membangun komputer kuantum fotonik yang handal. Kolaborasi antara Xanadu dan HyperLight sebelumnya telah menciptakan Aurora, komputer kuantum fotonik pertama yang bisa terhubung lewat jaringan serat optik, dan sekarang pencapaian terbaru ini memperkuat fondasi sistem tersebut menuju mesin kuantum yang lebih kompleks dan kuat. Menurut para pemimpin di kedua perusahaan, pencapaian ini menandakan kemajuan besar dalam perjalanan menuju komputer kuantum fotonik berskala utilitas, dan teknologi TFLN dapat berperan penting dalam aplikasi kuantum maupun teknologi komunikasi lainnya.

Para ilmuwan sejak lama mencoba memahami apakah cahaya adalah gelombang atau partikel. Percobaan double-slit yang terkenal digunakan untuk menjawab pertanyaan ini dengan menunjukkan sifat gelombang dan partikel cahaya secara bergantian tergantung pada cara pengamatan yang dilakukan. Albert Einstein dan Niels Bohr pernah terlibat perdebatan sengit tentang apakah mungkin mengamati kedua sifat cahaya tersebut sekaligus. Einstein berpendapat ini mungkin, sementara Bohr menggunakan prinsip ketidakpastian untuk menunjukkan bahwa upaya pengamatan pasti akan mengubah hasilnya. Baru-baru ini, tim peneliti di MIT memodifikasi percobaan double-slit dengan menggunakan atom ultradingin yang disusun sangat rapi, sehingga atom-atom ini bertindak sebagai celah terkecil untuk menembakkan cahaya. Mereka memancarkan cahaya sangat lemah sehingga setiap atom hanya menyebarkan satu foton. Hasil eksperimen MIT ini menunjukkan bahwa semakin jelas informasi tentang jalur foton didapat, maka pola interferensi seperti gelombang semakin hilang. Ini menguatkan pandangan Bohr dan membantah klaim Einstein untuk mengamati kedua sifat secara simultan. Temuan ini tidak hanya mengkonfirmasi sifat dualitas cahaya secara definitif, tetapi juga menegaskan aspek aneh dan menantang dari realitas kuantum yang tidak bisa diamati secara langsung dalam dua bentuk sekaligus. Penelitian ini dipublikasikan dalam jurnal Physical Review Letters.

Para ilmuwan Jerman menemukan metode baru yang menggunakan pulsa cahaya terahertz untuk mengendalikan semikonduktor atomik yang sangat tipis, menggantikan cara tradisional yang memakai sinyal listrik lambat. Cahaya terahertz bisa menghasilkan medan listrik yang sangat kuat dan cepat langsung di dalam material semikonduktor, seperti molybdenum disulfide yang hanya setebal beberapa atom. Metode ini tidak memerlukan kabel atau komponen listrik besar seperti transistor biasa, sehingga memungkinkan perangkat elektronik bekerja ribuan kali lebih cepat dari teknologi sekarang. Para peneliti menggunakan nanoantena untuk menangkap dan mengubah cahaya terahertz menjadi medan listrik vertikal yang memengaruhi sifat elektronik dan optik semikonduktor secara langsung. Dalam percobaan di laboratorium, mereka membuktikan bahwa pulsa terahertz dapat mengubah energi excitons di MoS2 dengan efek Stark yang menunjukkan kontrol langsung dan cepat. Prosesnya pun non-kontak, artinya tidak ada koneksi fisik yang dibutuhkan, menjanjikan perangkat elektronik yang lebih kecil dan hemat energi. Penemuan ini membuka pintu untuk pengembangan komputer dan sensor generasi berikutnya yang dikendalikan oleh cahaya, memungkinkan kecepatan dan efisiensi yang jauh melebihi teknologi saat ini. Bahkan, teknologi ini berpotensi digunakan dalam komputasi kuantum dan kamera ultracepat yang mampu menangkap data dengan presisi dan kecepatan tinggi. Menurut Dr Dmitry Turchinovich dari Universitas Bielefeld, pencapaian ini sangat penting karena menghilangkan batasan pada kecepatan sinyal elektronik tradisional. Dengan teknologi baru berbasis cahaya terahertz ini, masa depan elektronik optoelektronik yang cepat dan efisien sudah semakin dekat dan bisa diterapkan di industri.

Hukum termodinamika telah lama membantu kita memahami energi dan arah waktu, tapi dunia kuantum memiliki tantangan tersendiri terutama dalam mengelola keterikatan (entanglement) antara partikel kuantum. Entanglement adalah prinsip unik di mana dua partikel saling terkait meski berjauhan, dan penting untuk teknologi kuantum seperti komputer dan komunikasi. Masalah utama adalah keterikatan yang sulit dipakai ulang tanpa kehilangan saat diubah bentuknya. Dalam pengaturan tradisional dengan operasi lokal dan komunikasi klasik (LOCC), perubahan status entanglement biasanya berujung pada kerugian. Ini membuat manipulasi reversible yang sempurna seperti pada termodinamika klasik jadi mustahil. Penelitian terbaru memperkenalkan ide baterai keterikatan, sebuah sistem yang bisa menyimpan dan memberikan entanglement selama proses perubahan status entangled, sehingga total entanglement tidak berkurang. Dengan baterai ini, konversi antar keadaan entangled bisa dilakukan tanpa kehilangan, asalkan menggunakan banyak salinan identik. Konsep baterai keterikatan ini membuka kemungkinan untuk memperlakukan sumber daya kuantum lain, seperti koherensi atau energi bebas, secara reversible juga. Hal ini membuka pintu untuk pengembangan hukum kedua baru terkait manipulasi entanglement dan sumber daya kuantum lainnya. Meskipun penemuan ini masih bersifat teoretis dan menghadapi tantangan seperti gangguan dan keterbatasan ukuran sistem nyata, hal ini memberikan panduan untuk merancang teknologi kuantum masa depan yang lebih efisien dan andal, seperti komputer dan jaringan kuantum yang lebih kuat.

Peneliti di Harvard University berhasil menciptakan sebuah perangkat optik datar yang disebut metasurface, yang dapat melakukan operasi kuantum kompleks secara efisien. Perangkat ini menggantikan kebutuhan akan banyak komponen optik konvensional yang biasanya sangat rumit dan besar, seperti lensa dan cermin. Metasurface memiliki pola-pola kecil pada permukaannya yang disesuaikan dengan panjang gelombang cahaya sehingga bisa memanipulasi sifat cahaya dengan sangat akurat. Ini memungkinkan perangkat untuk mengatur foton dengan cara yang dapat mendukung komputasi kuantum dengan lebih baik dan stabil. Tim peneliti menggunakan pendekatan matematika bernama graph theory untuk memetakan interaksi antar foton dalam jaringan kuantum. Cara tersebut membantu mereka merancang pola metasurface secara sistematis agar bisa menghasilkan keadaan kuantum yang diinginkan. Selain lebih kecil dan stabil, metasurface juga menurunkan kehilangan cahaya yang terjadi selama proses pengolahan, sehingga informasi kuantum tetap terjaga dengan baik. Teknologi ini juga dapat diproduksi dengan menggunakan metode industri semikonduktor yang sudah mapan. Inovasi ini tidak hanya penting untuk pengembangan komputer kuantum yang bisa beroperasi pada suhu ruang, tetapi juga berpotensi untuk aplikasi lain seperti sensor kuantum dan laboratorium mini dalam bidang ilmu dasar.

Penelitian di Lanzhou Institute of Chemical Physics menemukan sesuatu yang tak terduga ketika mereka melipat lembaran ultra-tipis graphene. Gesekan yang biasanya meningkat seiring ketebalan ternyata tidak terjadi pada graphene ini. Bahkan, beberapa lipatan yang lebih tebal malah lebih mudah tergelincir dari yang tipis. Temuan ini bukan hanya menantang pemahaman umum tentang gesekan, tapi juga membuka wawasan baru tentang bagaimana gesekan bekerja sampai ke level kuantum. Para ilmuwan berhasil mengamati gesekan antara dua permukaan padat secara langsung pada tingkat elektron. Mekanismenya ditemukan karena pembengkokan berubah cara elektron bergerak di dalam graphene. Elektron menjadi terkunci pada tingkat energi tertentu sehingga sulit bagi gerakan untuk berubah menjadi panas. Proses ini sangat berbeda dari gesekan biasa yang kita kenal selama ini. Penemuan ini sangat penting bagi pengembangan teknologi masa depan. Bisa membantu menciptakan mesin yang sangat efisien dan peralatan nano yang bertahan lebih lama tanpa banyak kehilangan energi akibat gesekan. Kesimpulannya, penelitian ini membuka tahap baru dalam ilmu fisika dan rekayasa material. Dengan pemahaman gesekan kuantum, kita bisa mendesain perangkat dan mesin yang lebih hemat energi serta tahan pakai, membawa dampak besar untuk teknologi modern.

Para peneliti dari Universitas Colorado Denver berhasil menciptakan medan elektromagnetik yang sangat kuat menggunakan chip kecil berbahan silikon. Sebelumnya, medan seperti ini hanya bisa dihasilkan oleh fasilitas besar seperti Large Hadron Collider (LHC) di Swiss yang memiliki terowongan sepanjang puluhan kilometer. Medan elektromagnetik ini penting karena menjadi dasar teknologi modern dan penelitian ilmiah. Contohnya, medan ini membantu memahami struktur atom dan bahkan pencarian materi gelap yang sangat misterius di alam semesta. Namun, membuat medan tersebut biasanya memerlukan alat besar dan mahal. Chip yang dikembangkan mampu menahan panas yang dihasilkan saat medan elektromagnetik berosilasi dan menjaga kestabilan gas elektron kuantum di dalamnya. Teknologi ini memungkinkan para ilmuwan mempelajari fenomena alam lebih dekat dan dengan cara yang belum pernah ada sebelumnya. Salah satu manfaat besar dari teknologi ini adalah kemungkinan pengembangan laser sinar gamma (graser). Laser jenis ini bisa sangat presisi untuk melihat struktur di tingkat atom bahkan inti sel, yang dapat meningkatkan pengobatan medis seperti mengobati kanker pada skala nano. Inovasi ini juga membuka peluang untuk memahami hukum alam secara lebih mendalam dan mungkin menyelidiki konsep seperti keberadaan multiverse. Penemuan ini dianggap sebagai terobosan penting yang dapat membawa kemajuan besar di berbagai bidang teknologi dan ilmu pengetahuan.