September 27, 2022

Awal bulan ini, sekelompok laboratorium penelitian di Chicago meluncurkan jaringan kuantum sepanjang 124 mil yang membentang dari pinggiran Lemont, melalui kota Chicago, ke lingkungan Hyde Park dan kembali lagi. Panjang total itu menyumbang segmen serat optik sepanjang 35 mil yang baru ditambahkan yang baru-baru ini terhubung ke loop kuantum 89 mil yang diluncurkan oleh Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS pada tahun 2020, menghubungkan laboratorium dari Chicago Quantum Exchange dan Universitas Chicago.

Maksud di balik membangun jaringan semacam itu adalah untuk memungkinkan para peneliti bereksperimen dengan jenis komunikasi kuantum baru, protokol keamanan, dan algoritme dengan tujuan untuk maju menuju internet kuantum awal (yang mungkin terlihat seperti versi awal internet klasik) . Saat ini, Toshiba menggunakannya untuk menguji kunci enkripsi kuantum terdistribusi mereka dalam pengaturan yang mengalami faktor-faktor seperti kebisingan, cuaca, dan fluktuasi suhu untuk memahami seberapa kuat metode ini, dan potensi masalah apa yang mungkin muncul.

Para peneliti sejauh ini mampu mengirim informasi dengan kecepatan 80.000 bit kuantum (atau qubit—lebih banyak tentang apa yang ada di bawah) per detik. Jenis kunci eksperimental ini dapat berguna di masa depan di mana komputer kuantum yang kuat mengancam untuk memecahkan enkripsi klasik, sebuah masalah yang telah disorot oleh anggota parlemen di Kongres.

Ketika komputer kuantum yang lebih besar mulai muncul, para peneliti secara aktif mengeksplorasi cara-cara untuk menggunakan hukum fisika kuantum untuk membangun saluran komunikasi yang anti-rusak dan anti-retas. Jenis saluran komunikasi ini juga bisa menjadi metode “pengkabelan” bersama perangkat kuantum.

“Misalnya Anda memiliki komputer kuantum hingga 1.000 qubit. Dan di sini Anda memiliki komputer kedua yang berukuran 1.000 qubit. Anda ingin menyambungkannya dengan cara yang sama seperti kita membangun superkomputer saat ini dengan membuat cluster, tetapi Anda tidak bisa hanya menyambungkan komputer menggunakan kabel klasik. Anda memerlukan kawat kuantum untuk menjaga keadaan kuantum kedua mesin,” kata David Awschalom, profesor di Universitas Chicago dan ilmuwan senior di Argonne National Laboratory. “Jadi, saluran komunikasi kuantum adalah cara untuk melakukan itu—pada dasarnya membangun cara bagi dua sirkuit kuantum untuk berbicara satu sama lain tanpa pernah memasuki dunia klasik.”

See also  Penipu menipu ribuan orang dengan Acara Apple palsu
Ilustrasi jaringan kuantum saat ini. Universitas Chicago

Menyelidiki kemungkinan komunikasi kuantum

Karena ini adalah dunia kuantum, segala sesuatunya bekerja sedikit berbeda. Untuk memulai, agar objek menunjukkan kualitas kuantum, mereka harus sangat dingin atau sangat kecil. Chicago memilih yang kecil.

“Banyak mesin kuantum yang tersedia secara komersial saat ini biasanya superkonduktor, jadi mereka harus memiliki suhu yang sangat rendah,” kata Awschalom. “Komunikasi kuantum menggunakan foton, dan polarisasi cahaya mengkodekan informasi.” Itu berarti jaringan dapat dioperasikan pada suhu kamar.

Menggunakan foton berarti mereka juga dapat menggunakan serat optik yang dilalui komunikasi klasik saat ini. Tapi di sinilah masalah mulai muncul. Serat optik terbuat dari untaian tipis kaca, dan kaca memiliki ketidaksempurnaan. Ketika foton tunggal, atau pulsa cahaya, berjalan di bawahnya, itu bisa berjalan mulus sebentar, tetapi seiring waktu dan jarak, amplitudo sinyal menyusut karena cahaya menyebarkan kotoran. Untuk internet klasik, solusinya adalah repeater. Ini adalah perangkat seukuran ibu jari yang dipasang setiap 50 mil atau lebih untuk memperkuat sinyal dan mengirimkannya.

Dunia kuantum memiliki aturan yang rumit. Bit kuantum (qubit), tidak seperti bit klasik, bukan 0 atau 1. Mereka adalah superposisi dari keduanya, yang berarti bahwa mereka dapat berupa 0, 1, atau keduanya pada saat yang sama. Anda mungkin melihat qubit digambarkan sebagai bola dengan panah yang memancar dari pusatnya. Anda tidak dapat menyalin keadaan kuantum (lihat teorema tanpa kloning), dan melihat atau mengamatinya akan menariknya keluar dari superposisi, jadi Anda menghancurkan qubit. (Keuntungan yang dibawanya adalah membuat tautan kuantum tahan kerusakan).

[Related: NASA is launching a new quantum entanglement experiment in space]

Sinyal kuantum masih dapat melintasi jarak di kota melalui serat tanpa repeater. Namun, untuk masa depan, ada beberapa ide untuk memperluas jangkauannya. Salah satunya adalah melalui udara ke satelit, dan kemudian kembali (inilah yang dilakukan para peneliti di China). Tetapi di udara, cahaya juga bisa diserap oleh uap air, dan banyak foton tidak kembali ke Bumi (NASA sedang mencoba untuk melihat apakah mereka dapat meningkatkan stabilitas yang terjerat di luar angkasa). Dengan serat optik, Anda dapat menyetel sinyal, dan Anda dapat melihat di mana letaknya, dan Anda dapat mengirimkan beberapa frekuensi sinyal secara bersamaan. Plus, Anda dapat memanfaatkan infrastruktur yang ada. Awschalom membayangkan bahwa jaringan kuantum masa depan akan memanfaatkan komunikasi serat dan satelit, mungkin serat untuk jarak pendek, dan satelit untuk jarak yang lebih jauh.

See also  YouTube menarik video autopilot pengujian penggemar Tesla pada anak

Ide lain adalah menggunakan trik yang disebut entanglement swapping. Di sinilah berbagai node ikut bermain (jaringan Chicago saat ini memiliki enam node). Node tidak mengacu pada komputer kuantum raksasa dengan ratusan qubit. Dalam kebanyakan kasus, mereka adalah jenis memori kuantum, yang disamakan Awschalom dengan komputer kuantum kecil dan sederhana. Anda dapat memasukkan informasi dan Anda dapat mengeluarkannya.

“Katakanlah aku hampir tidak bisa mendapatkan [quantum] menyatakan kepada Anda. Anda ingin mengirimkannya ke orang lain di lokasi lain. Tapi kami tidak punya repeater,” katanya. “Apa yang mungkin dapat Anda lakukan adalah mengambil informasi yang terjerat tanpa melihat apa itu, memasukkannya ke dalam memori dan kemudian Anda dapat menukarnya dengan sesuatu yang lain.”

Cara kerja kunci kuantum

Membuat kunci kuantum untuk mengenkripsi informasi adalah aplikasi praktis dari komunikasi kuantum melalui keterjeratan. Partikel yang terjerat akan berperilaku seolah-olah mereka terhubung tidak peduli seberapa jauh mereka terpisah. Itu berarti jika Anda melihat satu partikel, itu akan mengubah yang lain, dan jika Anda melihat keduanya, pengukurannya akan berkorelasi. Setelah Anda membangun keterjeratan, mendistribusikan keadaan terjerat, dan mempertahankannya dalam jarak dan waktu, Anda dapat menggunakan properti itu untuk menyampaikan informasi secara instan.

Kunci klasik, yang berfungsi seperti sandi untuk informasi, dihasilkan dari algoritme untuk mengenkripsi informasi dan membuatnya aman. Algoritme ini biasanya berisi fungsi matematika yang dapat dengan mudah diselesaikan dalam satu arah, tetapi sulit (meskipun bukan tidak mungkin) untuk direkayasa balik.

“Sebenarnya sulit untuk membuat kunci yang anti-rusak, bahwa Anda tidak dapat bekerja mundur dan mencari tahu bagaimana kunci dibuat, atau sulit untuk mencegah orang menyalin kunci tersebut,” kata Awschalom. “Dan Anda tidak tahu apakah seseorang menyalinnya.”

[Related: IBM’s massive ‘Kookaburra’ quantum processor might land in 2025]

Kunci kuantum dihasilkan melalui mekanika kuantum, dan sepasang kunci yang didistribusikan antara pengirim dan penerima terhubung erat melalui belitan kuantum. Dalam eksperimen Chicago, kunci kuantum dikirim melalui foton yang telah diubah sifatnya (melalui faktor-faktor seperti arah polarisasi) untuk mengkodekan bit. Tidak ada yang bisa menyalin atau mencegat kunci tanpa merusak informasi kuantum.

See also  Dapatkan diskon ekstra untuk alat dan kursus desain digital ini di Hari Buruh ini

Kunci kuantum dapat terdiri dari serangkaian bit kuantum. “Kunci kuantum adalah fungsi dari keadaan dasar. Anda memiliki sistem koordinat untuk membacanya,” jelas Awschalom. “’Bit’ Anda dan ‘bit’ saya berkorelasi. Jadi sangat berbeda dengan kunci klasik. Jika seseorang mengacak kunci Anda, itu akan mengacak kunci saya. Saya juga dapat yakin bahwa Anda telah menerimanya, berdasarkan cara saya menerima kunci saya.”

Sebuah testbed untuk teknologi baru

Medan kuantum, terlepas dari semua hype, masih dalam tahap awal. Itu berarti peneliti tidak tahu pasti apa yang akan bekerja dengan baik dan apa yang tidak. Bagian dari bagaimana ambiguitas itu akan diselidiki oleh jaringan ini adalah kenyataan bahwa node yang berbeda di laboratorium yang berbeda di Chicago semuanya bereksperimen dengan strategi yang berbeda. “Misalnya, saat ini kami memiliki laboratorium atom dingin sebagai salah satu node, sehingga Anda benar-benar dapat mengambil informasi komunikasi kuantum, dan memasukkannya ke dalam atom sederhana yang terperangkap, lalu mengekstraknya,” kata Awschalom. Labnya, simpul lain dalam jaringan, sedang mengintegrasikan atom magnetik dari tabel periodik untuk menyimpan dan mengirim informasi kuantum. Laboratorium lain bekerja dengan superkonduktor. “Setiap node dirancang untuk memperkuat ide teknologi yang berbeda,” katanya.

Mereka juga berencana untuk membuka jaringan ini untuk peneliti dan perusahaan luar yang dapat masuk, memasang dan menguji perangkat prototipe dan detektor mereka, dan menjalankannya.

Kunci kuantum hanyalah permulaan dalam hal kemungkinan keterjeratan terdistribusi. “Ada banyak lagi yang dapat Anda lakukan ketika Anda berpikir tentang mendistribusikan informasi secara berbeda,” kata Awschalom, dengan penginderaan global terhadap lingkungan sebagai salah satu contoh. “Hari ini kami menyelidiki dunia dengan sensor klasik sebagian besar, tetapi dunia adalah mekanika kuantum. Ini menimbulkan pertanyaan—apa yang tidak kita lihat hanya karena kita tidak pernah melihat? Di antara teknologi penginderaan ini dan cara menyatukan sensor, saya optimis kita akan belajar banyak.”