Terobosan Komputasi Kuantum Mendorong Inovasi Teknologi

Para ilmuwan di China berhasil mengembangkan sistem komputer kuantum dengan jumlah atom rubidium terbesar yang pernah dibuat, yaitu 2.024 atom sebagai kubit. Inovasi ini memungkinkan pengaturan atom yang sangat cepat dan presisi menggunakan kecerdasan buatan. Sistem ini mampu menyusun dan mengatur atom dalam pola dua dan tiga dimensi hanya dalam waktu 60 milidetik, menggunakan modulasi cahaya berkecepatan tinggi. Keakuratannya juga mencapai tingkat yang sangat tinggi, baik untuk operasi single-qubit maupun two-qubit. Salah satu tantangan utama komputasi kuantum adalah bagaimana membaca status qubit dengan cepat dan akurat tanpa kehilangan atom. Penelitian ini memperkenalkan kerangka kerja untuk mengoptimalkan keseimbangan antara keakuratan pembacaan dan retensi atom. Kecepatan iterasi sirkuit kuantum mencapai lebih dari 150 Hz, yang memungkinkan eksekusi tugas kuantum dengan throughput tinggi. Teknik ini sangat penting untuk mendukung pengembangan processor kuantum yang skalabel dan efisien. Penemuan ini membuka jalan bagi pengembangan komputer kuantum dengan puluhan ribu kubit di masa depan, sehingga memungkinkan aplikasi seperti simulasi fisika, sensor canggih, dan implementasi algoritma kuantum yang realistis.

Para ilmuwan dari University of Science and Technology of China berhasil menciptakan sistem yang mampu mengatur lebih dari 2.000 atom rubidium sebagai unit dasar komputer kuantum yang disebut qubit. Ini merupakan lompatan besar dari sistem sebelumnya yang hanya bisa mengatur beberapa ratus atom. Penemuan ini didukung oleh penggunaan kecerdasan buatan yang membuat atom-atom tersebut dapat disusun dalam pola yang sangat presisi hanya dalam waktu 0,06 detik. Kecepatan dan ketepatan ini membuka peluang pengembangan komputer kuantum yang jauh lebih besar dan efisien. Atom-atom netral seperti rubidium dipilih karena lebih stabil dan mudah dikendalikan dalam jumlah besar dibandingkan dengan metode lain seperti menggunakan sirkuit superkonduktor atau ion terperangkap. Para peninjau dari jurnal Physical Review Letters menganggap temuan ini sebagai loncatan penting untuk efisiensi komputasi dan pengembangan teknis dalam fisika kuantum yang mengandalkan atom. Dengan kemampuan baru ini, di masa depan kita mungkin akan melihat komputer kuantum dengan skala ribuan hingga puluhan ribu qubit yang dapat melakukan perhitungan jauh lebih cepat dan akurat untuk berbagai aplikasi teknologi dan ilmiah.

Ilmuwan China berhasil mengembangkan sistem baru bernama PCE yang bisa mengedit potongan DNA berukuran besar dengan sangat presisi. Ini berbeda dari alat sebelumnya seperti Crispr yang hanya fokus pada pengeditan gen atau basa DNA dalam skala kecil. Dengan teknologi ini, manipulasi jutaan pasang basa dalam satu waktu menjadi mungkin dan efisien. Metode baru ini adalah perbaikan dari teknologi lama Cre-Lox yang sudah digunakan sejak tahun 1980-an, namun memiliki kelemahan seperti penurunan efisiensi saat mengedit bagian DNA yang besar serta meninggalkan bekas atau ‘scars’ yang membuat pengeditan selanjutnya sulit. PCE mengatasi masalah tersebut dengan efisiensi 3,5 kali lipat dan tanpa meninggalkan bekas. Dengan menggunakan PCE, para peneliti bisa lebih mudah menemukan tanaman dengan sifat genetik yang diinginkan karena mereka hanya perlu menguji 100 benih dibandingkan 1.000 benih pada metode sebelumnya. Ini tentu menghemat waktu dan tenaga besar dalam riset pertanian. Selain kemajuan di bidang pertanian, teknologi ini juga membuka peluang dalam biomedis dan biologi sintetis. Misalnya, mengembangkan terapi gen yang lebih efektif dan pembuatan kromosom buatan untuk aplikasi masa depan yang inovatif. Ini bisa berdampak besar dalam pengobatan penyakit genetik. Para ahli menilai bahwa PCE berpotensi menjadi teknologi utama sebagai pengganti Cre-Lox dalam berbagai laboratorium di seluruh dunia. Ini bukan hanya berita baik untuk penelitian ilmiah, tapi juga bisa membawa perubahan besar di industri pertanian dan kesehatan dalam waktu dekat.

Fisikawan telah lama memikirkan cara mengukur seberapa mirip atau berbeda dua keadaan kuantum, yang disebut jarak kuantum. Meskipun teori ini sudah lama ada, mengukurnya secara langsung pada material nyata sangat sulit karena membutuhkan pemahaman detail tentang sifat kuantum elektron di dalam kristal. Sebuah tim peneliti internasional kini berhasil melakukan pengukuran jarak kuantum elektron untuk pertama kalinya menggunakan sebuah bahan kristal bernama black phosphorus, yang terkenal dengan struktur sederhana dan mudah dimengerti. Mereka menggunakan teknik canggih bernama spektroskopi fotoelektron sudut-tertimbang atau ARPES, yang bisa memberi peta tentang bagaimana elektron bergerak dan berorientasi di dalam bahan tersebut. Cahaya dari fasilitas sinchrotron canggih di Amerika Serikat membantu mendapatkan data yang sangat presisi. Dari data tersebut, para peneliti dapat menghitung tensor metrik kuantum penuh, yang menggambarkan geometri keadaan kuantum elektron di kristal secara lengkap. Ini merupakan pengukuran pertama jenisnya untuk elektron Bloch dalam bahan padat. Penelitian ini membuka peluang untuk memahami fenomena aneh seperti superkonduktor suhu tinggi dan membantu merancang komputer kuantum yang lebih handal. Metode ini diharapkan bisa diterapkan pada bahan yang lebih kompleks di masa depan, membawa kemajuan besar bagi teknologi kuantum.

Para ilmuwan selama ini mengendalikan reaksi kimia dengan mengubah panas, tekanan, atau bahan kimia tambahan. Namun, penelitian baru dari Universitas Rochester menemukan cara mengatur kecepatan reaksi tanpa menyentuh molekul secara langsung. Fenomena ini disebut vibrational strong coupling (VSC), di mana ruang mikro berisi molekul bisa mengubah reaksi dengan memanipulasi energi getaran molekul menggunakan cahaya dalam jarak sangat kecil. Tim peneliti menciptakan model kuantum dan simulasi komputer yang menjelaskan bagaimana interaksi kuat antara getaran molekul dan medan cahaya memengaruhi perpindahan energi dan oleh karenanya laju reaksi kimia. Mereka juga menemukan bahwa kekuatan coupling di dalam microcavity dapat disesuaikan untuk mempercepat atau memperlambat reaksi, seperti mengatur akustik ruangan untuk mengubah suara musik. Jika teknologi ini dapat diterapkan secara luas, akan muncul era kimia bersih yang hemat energi dengan manfaat besar untuk industri farmasi, manufaktur, dan material baru yang lebih efisien dan ramah lingkungan.

Fisika kuantum biasanya hanya terlihat pada partikel sangat kecil dan suhu yang sangat rendah karena interaksi dengan lingkungan pada objek besar dan suhu tinggi akan menghilangkan perilaku kuantum tersebut. Ini membuat penelitian kuantum pada partikel besar dan suhu ruangan sangat menantang. Penelitian terbaru berhasil mendinginkan gerakan rotasi sebuah partikel kaca nano yang masih sangat kecil namun besar secara kuantum hingga mencapai 92% kemurnian kuantum tanpa perlu mendinginkan partikel secara keseluruhan. Partikel ini tetap panas di ratusan derajat Celsius. Partikel tersebut berbentuk elips kecil yang secara alami berotasi dalam medan elektromagnetik. Dengan menggunakan kombinasi laser dan sistem cermin dalam kavitas optik yang canggih, para peneliti dapat mengontrol dan mengurangi energi rotasi partikel secara selektif. Pendekatan ini berbeda dari metode sebelumnya yang harus mendinginkan seluruh partikel hingga mendekati nol mutlak agar gerakannya memenuhi aturan kuantum. Kini, hanya gerakan spesifik yang dikendalikan, membuka peluang eksperimen kuantum lebih praktis di temperatur ruangan. Penemuan ini membuka jalan untuk melakukan riset kuantum pada sistem yang lebih besar dan kompleks seperti struktur biologis atau perangkat rekayasa tanpa harus menggunakan peralatan pendingin ekstrim yang berat dan mahal.

Penelitian terbaru yang dilakukan di Korea Selatan berhasil membuktikan bagaimana turbulensi yang terjadi pada skala partikel dapat mempengaruhi sistem plasma secara keseluruhan. Plasma adalah keadaan materi yang terdiri dari partikel bermuatan akibat suhu tinggi, dan memahami perilakunya sangat penting dalam berbagai bidang ilmu dan teknologi. Dalam eksperimen ini, para peneliti menggunakan alat bernama VEST yang mengoperasikan plasma dalam medan magnet berbentuk heliks tiga dimensi. Mereka menembakkan dua berkas elektron yang menciptakan struktur plasma yang disebut flux rope, yang memicu turbulensi akibat kecepatan drift elektron yang melebihi kecepatan Alfvén lokal. Hasil pengamatan menunjukkan turbulensi ini menyebabkan rekoneksi magnetik—proses dimana garis medan magnet berubah bentuk, yang mengubah energi magnet menjadi energi panas. Proses ini membuat dua flux rope bergabung menjadi satu struktur yang lebih besar dan kompleks. Ini adalah pertama kalinya rekoneksi turbulensi tiga dimensi terjadi di luar batas model MHD dipastikan melalui eksperimen dan simulasi komputer. Perubahan iklim plasma seperti kenaikan suhu ion dan perubahan karakteristik flux rope terlihat jelas, mengindikasikan pengaruh langsung turbulensi pada stabilitas plasma. Temuan ini bukan hanya relevan untuk mengendalikan plasma di reaktor fusi masa depan yang berusaha meniru energi bintang, tetapi juga membantu para ilmuwan memahami fenomena plasma di alam semesta seperti pada flare matahari. Dengan kata lain, eksperimen ini menjadi jembatan penting antara penelitian laboratorium dan pengamatan astronomi.