Sebuah tim ilmuwan telah mengembangkan metode yang memanfaatkan struktur cahaya untuk memutarbalikkan dan mengubah sifat material kuantum. Hasilnya, dipublikasikan hari ini di Alam, membuka jalan bagi kemajuan dalam elektronik kuantum generasi berikutnya, komputasi kuantum, dan informasi teknologi.
Tim yang dipimpin oleh para peneliti dari Laboratorium Akselerator Nasional SLAC Departemen Energi dan Universitas Stanford, menerapkan metode ini pada bahan yang dikenal sebagai heksagonal boron nitrida (hBN), yaitu lapisan atom tunggal yang tersusun dalam pola sarang lebah dengan sifat yang membuatnya unik. cocok untuk manipulasi kuantum. Dalam eksperimennya, para ilmuwan menggunakan jenis cahaya khusus, yang medan listriknya tampak seperti pohon yg mempunyai tiga daun, untuk mengubah dan mengontrol perilaku material pada tingkat kuantum dalam skala waktu yang sangat cepat.
Cara gelombang cahaya dipelintir juga memungkinkan peneliti mengontrol secara tepat sifat kuantum material—aturan yang menentukan perilaku elektron, yang penting untuk listrik dan aliran data. Kemampuan untuk mengontrol properti kuantum sesuai permintaan dapat membuka jalan bagi terciptanya saklar kuantum ultracepat untuk teknologi masa depan.
“Pekerjaan kami mirip dengan menemukan cara baru untuk membisikkan dunia kuantum dan membuatnya mengungkapkan rahasianya kepada kami,” kata Shubhadeep Biswas, ilmuwan di SLAC dan Universitas Stanford yang memimpin penelitian tersebut.
Teknik tradisional sering kali mengharuskan cahaya memiliki energi yang tepat untuk bekerja dengan suatu material, sebuah batasan yang dengan cerdik dilewati oleh pendekatan baru ini. Dengan menggunakan jenis cahaya khusus dan menyesuaikan polanya agar sesuai dengan pola material, para ilmuwan dapat mengubah material menjadi konfigurasi baru tanpa dibatasi oleh sifat alaminya.
“Cahaya terstruktur ini tidak hanya menerangi material; ia memutarbalikkannya, mengubah sifat kuantumnya sesuai permintaan dengan cara yang dapat kita kendalikan,” kata Biswas.
Fleksibilitas ini memungkinkan metode ini berfungsi untuk berbagai aplikasi, sehingga lebih mudah untuk mengembangkan teknologi baru. Intinya, tim menciptakan kondisi di mana elektron bergerak dengan cara yang baru dan terkendali. Misalnya, hal ini dapat mengarah pada pengembangan saklar super cepat untuk komputer kuantum, yang secara drastis dapat mengungguli komputer yang kita gunakan saat ini.
Selain hasil langsungnya, penelitian ini juga menjanjikan penerapan di masa depan dalam bidang “valleytronics,” sebuah bidang yang memanfaatkan sifat kuantum elektron yang berada di lembah energi berbeda dari suatu material untuk pemrosesan informasi. Berbeda dengan pendekatan tradisional yang membutuhkan cahaya yang disesuaikan dengan lembah energi tersebut, metode baru ini lebih mudah beradaptasi dan menawarkan arah baru dalam pengembangan perangkat kuantum.
Kemampuan para peneliti untuk memanipulasi lembah kuantum di hBN dapat menghasilkan perangkat baru, seperti saklar kuantum ultracepat, yang beroperasi tidak hanya pada biner 0 dan 1 tetapi juga pada lanskap informasi kuantum yang lebih kompleks. Hal ini akan memungkinkan cara yang lebih cepat dan efisien dalam memproses dan menyimpan informasi.
“Ini bukan sekadar menyalakan dan mematikan tombol,” kata kolaborator Matthias F. Kling, direktur divisi R&D di LCLS. “Ini tentang menciptakan sebuah saklar yang dapat berada di beberapa negara bagian sekaligus, sehingga secara signifikan meningkatkan kekuatan dan potensi perangkat kami. Ini membuka cara baru untuk merekayasa sifat-sifat material pada tingkat kuantum. Potensi penerapannya sangat luas, mulai dari komputasi kuantum hingga bentuk baru pemrosesan informasi kuantum.”
Penelitian ini juga menyoroti cara mendasar para ilmuwan dalam berinteraksi dan mengendalikan dunia kuantum. Bagi para ilmuwan yang terlibat, perjalanan menuju dunia kuantum ini bukan hanya tentang sensasi penemuan, namun juga tentang mendorong batas-batas dari apa yang mungkin terjadi.
“Salah satu aspek yang paling menarik adalah potensi temuan kami,” kata Biswas. “Kita berada di titik puncak era baru dalam teknologi, dan kita baru mulai mengeksplorasi apa yang mungkin terjadi jika kita memanfaatkan kekuatan material kuantum.”
Tim tersebut juga termasuk peneliti dari Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching; Ludwig-Maximilians-Universitat Munich di Jerman; dan Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid di Spanyol.