Berhasilnya Teleportasi Kuantum Antara 2 Qubit

Bagikan Artikel ini di:

Komputer kuantum adalah salah satu penerapan dari ilmu fisika kuantum. Komputer ini memiliki potensi besar untuk secara efektif dan efisien memecahkan masalah kompleks yang sulit dipecahkan dengan komputer biasa.

Bagaimanapun juga, merancang prosesor kuantum dalam skala besar sangatlah menantang karena rentan terjadinya error di sistem kuantum yang berbeda dengan error pada komputer biasa.

“Penghitungan kuantum diselesaikan dengan bit data yang disebut qubit yang rentan terhadap error,” ujar Professor Schoelkopf, ketua tim dari penelitian ini.

Qubit (singkatan dari quantum bit) sendiri adalah unit dasar informasi dalam komputer kuantum. Bedanya bit biasa dengan qubit adalah informasi yang ada di dalamnya. Bit hanya dapat membawa 1 informasi yakni apakah 1 atau 0, sementara qubit bisa mewakili beberapa informasi secara bersamaan.

Cara untuk menyikapi tantangan ini adalah dengan menggunakan modularitas, suatu strategi yang sering digunakan dalam bidang engineering untuk membuat sistem kompleks.

Peneliti dari Yale University mendemonstrasikan kunci dari pembuatan arsitektur untuk modular komputer kuantum. Mereka menyebut ini “teleportasi dari gerbang kuantum antara dua qubit”, seperti yang telah dipublikasikan dalam jurnal ilmiah berjudul Deterministic teleportation of a quantum gate between two logical qubits.

“Arsitektur modular kuantum terdiri dari beberapa modul yang berfungsi sebagai prosesor kuantum kecil yang jika saling terhubung akan membentuk suatu  prosesor kuantum besar,” ujar Professor Robert Schoelkopf dan Dr. Kevin Chou, beserta rekan kerjanya.

“Dalam arsitektur ini, modul terisolasi satu sama lain secara natural sehingga error pada sistem yang lebih besar dapat dicegah,” tambahnya.

Prinsip utama dibalik proyek baru ini adalah dengan menerapkan teleportasi kuantum, suatu keunikan dari mekanika kuantum.

Teleportasi kuantum adalah proses memindahkan materi/energi dari satu posisi ke posisi lain secara cepat dengan menggunakan prinsip mekanika kuantum, yaitu quantum entanglement.

Teleportasi kuantum ini sebelumnya telah digunakan untuk mentransmisikan 2 keadaan kuantum yang tidak diketahui tanpa mengirimkan keadaan itu sendiri secara fisik. Tetapi, teleportasi kuantum ini hingga kini belum juga direalisasikan sebagai suatu operasi deterministik.

konstruksi dari arsitektur modular dan teleportasi gerbang kuantum

Para peneliti tersebut mendemonstrasikan operasi kuantum (melalui eksperimen), tanpa bergantung dari interaksi langsung dengan menggunakan protokol teoretis yang dikembangkan di tahun 1990-an.

Protokol ini berpedoman pada entanglement, bersamaan dengan operasi lokal dan komunikasi klasik antara 2 sistem. Jika digabung, elemen-elemen ini dapat membedakan karakteristik informasi yang masuk lewat protokol teleportasi itu. Hal ini dapat menentukan informasi mana yang dikirim melalui saluran kuantum dan yang mana yang lewat saluran klasik.

demonstrasi dari teleportasi gerbang kuantum deterministik.

demonstrasi dari teleportasi gerbang kuantum deterministik.

Demonstrasi ini beroperasi pada qubit data yang dikodekan secara logistik. Qubit logis 2 dimensi dikodekan dalam dimensi lebih tinggi dengan sifat simetri. Tujuannya agar dapat terjadinya pendeteksian dan koreksi dari error, terutama pada kejadian photon-loss, yaitu error yang sering terjadi di sistem kuantum.

“Dalam eksperimen sistem kuantum, qubit logis dimonitor oleh qubit tambahan untuk mendeteksi dan memperbaiki error secara langsung,” ujarnya.

Selain secara logis, mereka juga mendemonstrasikan gerbang teleportasi dengan pengkodean Fock untuk menspesifikasikan qubit data. Karena bukan pengkodean logistik, maka cara ini tidak dapat membetulkan kesalahan kuantum. Tapi, dengan menspesifikasikan data,hal ini mempermudah mereka untuk mengekstrak qubit untuk diteleportasikan dengan alat yang ada.

Dr. Kevin Chou dan rekannya menjalankan 2 modul yang masing-masing terdiri atas cekungan microwave superkonduktor (sebagai qubit data) dan sebuah transmon (sebagai qubit komunikasi).

Setiap modulnya dihubungkan dengan JPC untuk hasil pengukuran transmon (qubit komunikasi) yang cepat dan berketelitian tinggi. Pada eksperimen ini, para peneliti berhasil mencapai ketelitian 99.4%.

Sebelum eksperimen, semua sistem berada di kondisi ground. Lalu, mereka menentukan kondisi awal dari qubit komunikasi untuk dikirim ke qubit data melalui pengkodean sebagai kondisi awal dari qubit data. Hal ini didesain agar qubit komunikasi bisa kembali ke posisi ground setelahnya, sehingga bisa melakukan teleportasi berikutnya.

Setelah proses teleportasi dilakukan, para peneliti menganalisa keadaan qubit logis dan mengekstrak fungsi wigner untuk menganalisa keadaan akhir.

Bulatan logical bloch pengkodean kode binomial. secara logis qubit data dikodekan dalam basis kode binomial dan fungsi wigner.

Bulatan logical bloch pengkodean kode binomial. secara logis qubit data dikodekan dalam basis kode binomial dan fungsi wigner.

Dibuatnya 6 kondisi sebelum dan sesudah rotasi untuk quantum process tomography, menghasilkan 1296 pengaturan. Setiap pengaturan terdiri dari 2500 pertengahan. Dan masing-masing error statistik yang diekstrak dari analisis bootstrap menjadi kurang dari 1%. Dengan demikian, eksperimen ini bisa dibilang berhasil.

Referensi.

1] Yale University. 2018. Researchers ‘teleport’ a quantum gate. Diakses dari https://m.phys.org/news/2018-09-teleport-quantum-gate.html pada tanggal 9 September 2018.

[2] News Staff/Source. 2018. Physicists Demonstrate ‘Teleportation’ of Quantum Gate between Two Qubits. Diakses dari http://www.sci-news.com/physics/quantum-gate-teleportation-06382.html pada tanggal 9 September 2018.

[3] Chou, Kevin S. dkk. 2018. Deterministic teleportation of a quantum gate between two logical qubits. Nature research letter.

Bagikan Artikel ini di:

Hukum Konduktivitas Radiasi Planck Menyimpang Pada Skala Nanometer

Bagikan Artikel ini di:

Apa itu Hukum Planck?

Hukum radiasi planck berbicara tentang besarnya radiasi yang dikeluarkan oleh benda yang menyerap energi/panas. Radiasi sendiri adalah bentuk penyaluran energi dalam suatu ruang dalam bentuk gelombang. Suatu benda pasti akan menerima energi/panas baik itu secara konduksi, konveksi, maupun radiasi.  Demi terpenuhinya keseimbangan termal, panas yang diserap benda ini kemudian diubah menjadi radiasi. Radiasi yang berupa gelombang elertromagnetik ini dirumuskan dalam persamaan:

Persamaan spektrum radiasi elektromagnetik benda hitam

Penjelasan dari persamaan diatas dapat dibaca pada laman berikut (klik). Perlu dipahami juga bahwa persamaan diatas adalah persamaan yang menunjukkan spektrum radiasi yang terjadi pada benda hitam. Benda hitam sendiri adalah benda yang menyerap seluruh radiasi yang mengenainya[1]. Oleh karena itu benda hitam adalah benda yang memiliki tingkat konduktivitas radiasi paling tinggi diantara yang lainnya. Dampak yang teramati secara nyata adalah benda nantinya ini akan terlihat hitam sempurna. Hal ini dikarenakan benda hitam tidak merefleksikan radiasi (cahaya) sama sekali.

Pada dasarnya tidak ada benda yang dapat dikategorikan benda hitam di dunia ini. Namun, para ilmuwan memberikan contoh benda hitam ini dengan membuat kotak hitam yang diberi lubang kecil[2]. Keberadaan lubang kecil memungkinkan kita untuk memasukkan radiasi kedalamnya. Akan tetapi lubang kecil ini akan menyulitkan benda untuk dapat memantulkan kembali radiasi tadi keluar dari kotak. Selain itu, keadaan kotak yang berwarna hitam membuat radiasi dapat terserap dengan lebih baik.

Contoh Benda Hitam yang diusulkan ilmuwan

Mengingatkan kembali bahwa jika benda diberikan radiasi/panas maka benda itu akan mengeluarkan radiasi sesuai dengan persamaan diatas. Bukti dalam keseharian bahwa benda akan mengeluarkan radiasi ketika dipanaskan adalah pada saat besi dipanaskan. Besi panas akan menyala dengan dominan warna yang dipancarkan adalah warna oranye. Pada dasarnya persamaan radiasi diatas dapat dinyatakan dengan grafik spektrum dibawah ini

Spektrum gelombang yang dihasilkan benda hitam pada suhu tertentu

Transfer Radiasi Panas (TRP)

Pada kenyataannya fenomena ini menjadi cukup penting di alam semesta. Fenomena (TRP) ini memiliki peran sentral dalam transfer energi yang ada di alam semesta, baik yang berskala nanometer hingga tahun cahaya.

Dalam penelitian yang dilakukan oleh Dakotah Thompson bersama timnya menyebutkan bahwa TRP ini memiliki penyimpangan jika diukur dalam skala nanometer (<100 nanometer). Penelitian tersebut dipublikasikan pada jurnal Nature pada 3 September 2018[3]. Penelitian tersebut sebenarnya sesuai dengan pernyataan Planck yang menyebutkan bahwa memang batas konduksinya tidak akan relevan jika jarak 2 benda dibawah skala nanometer dan salah satu dari kedua benda berukuran lebih kecil dari skala nanometer. Yang dimaksud batas konduksi antar 2 objek sendiri adalah persamaan berikut:

Gmax=4σT3A2F21=4σT3A1F12

Penjelasan dari persamaan diatas dapat dibaca pada artikel jurnal Thomson dkk [3]. Penelitian yang dilakukan oleh Thomson dkk dilakukan dengan memanaskan salah satu membran silikon nitrit yang sudah di ditempel dengan pemanas dari platina. Ruangan yang digunakan dikondisikan sehingga tekanan udaranya mendekati vakum yaitu kurang dari 10-6 torr dalam suhu ruangan. Keadaan ini menghindarkan percobaan dari molekul udara yang mengganggu transfer panas. Penelitian ini bertujuan untuk menghitung seberapa besar frekuensi radiasi yang dipancarkan ketika membran tersebut diberi suhu tertentu dan membandingkannya dengan apa yang terjadi pada benda hitam.

Grafik hasil pengukuran melalui eksperimen dan prediksi melalui teori yang ada adalah sebagai berikut

Grafik data yang diperoleh melalui hasil percobaan dan simulasi teori

Dalam data tersebut ditunjukkan bahwa pada membran yang memiliki tebal 270 nm rasio antara pengukuran eksperimen dan simulasi teori mencapai lebih dari 100 kali. Semakin tebal membran yang digunakan maka semakin kecil pula rasio perbedaannya.

Hal ini menunjukkan bahwa pada skala nanometer atau bahkan lebih kecil dari itu, tingkat konduktivitas suatu benda dan emisinya bisa jauh lebih besar dari apa yang diprediksikan dalam benda hitam. Tingkat penyerapan dan pemancaran yang lebih tinggi ini tentunya akan memberikan dampak yang signifikan.  Dengan perubahan signifikan ini, kita dapat memanfaatkan benda-benda berskala nano untuk melakukan transfer energi dengan efisiensi yang lebih baik.

Dengan hasil penelitian ini pula, mungkin saja kita dapat mengubah pemahaman kita tentang proses transfer energi yang ada. Bisa jadi dengan penelitian ini kedepannya akan ada penemuan baru yang mampu memprediksi proses konduktivitas radiasi dengan lebih presisi. Jika ini benar terjadi dalam skala besar tentu dampak yang diberikan akan sangat besar bagi umat manusia.

Referensi:

[1] Blackbody Radiation and Planck’s Law. http://spie.org/publications/tt48_151_blackbody_plancks?SSO=1. Diakses pada 17 September 2018.

[2] Black Body Radiation. https://quantummechanics.ucsd.edu/ph130a/130_notes/node48.html. Diakses pada 17 September 2018.

[3]Thompson, D., Zhu, L., Mittapally, R., Sadat, S., Xing, Z., McArdle, P., Qazilbash, M.M., Reddy, P. and Meyhofer, E., 2018. Hundred-fold enhancement in far-field radiative heat transfer over the blackbody limit. Nature, p.1.

Bagikan Artikel ini di:

Teknologi Membran Reverse Osmosis Terbaru Untuk Desalinasi yang Lebih Efektif

Bagikan Artikel ini di:

Penurunan cadangan air tawar terus menerus terjadi karena kerusakan daerah aliran sungai, degradasi lingkungan, berkurangnya daerah resapan air hujan, tingginya tingkat pencemaran dan yang tidak kalah menyedihkannya adalah rendahnya budaya sadar lingkungan khususnya kesadaran untuk menghemat dan menjaga kelangsungan ketersediaan air untuk kita semua. Selama setengah abad terakhir, sumber daya air tepatnya renewable internal fresh water resource di Indonesia menurut data Bank Dunia turun dari angka 21.000 meter kubik perkapita, angka itu kini tinggal dikisaran 7000-an.[1] Bahkan saat ini , lebih dari 300 juta manusia di seluruh dunia tergantung pada air desalinasi untuk sebagian atau semua kebutuhan air sehari-hari. Kebutuhan tersebut akan terus meningkat dengan populasi yang semakin besar dan standar kelayakan hidup yang semakin meningkat di seluruh dunia.

Cadangan air yang paling melimpah di dunia adalah samudra atau air laut. Bagaimanapun, air laut membutuhkan teknologi desalinasi yang rumit dan biaya yang mahal untuk diubah menjadi air layak minum dan kebutuhan sehari-hari. Teknologi paling umum yang biasa digunakan untuk  desalinasi adalah Reverse Osmosis (RO), proses dimana air laut diolah melewati sebuah membran yang dapat menghilangkan garam dan molekul kecil lainnya.

Proses osmosis terjadi apabila cairan yang konsentrasinya rendah (encer) berpindah ke cairan yang konsentrasinya lebih tinggi (pekat) melalui membran semi-permeable. Adanya perpindahan cairan yang konsentrasinya rendah atau encer ke cairan yang konsentrasinya tinggi atau pekat menandakan adanya perbedaan tekanan yang disebut tekanan osmosis. Dari prinsip tersebut, para ahli berupaya memberikan penambahan tekanan pada larutan yang konsentrasinya tinggi (pekat) agar dapat mengalir pada cairan yang konsentrasinya lebih rendah atau encer melalui membran semi-permeable yang merupakan kebalikan dari proses osmosis. Atas dasar prinsip tersebut disebut proses reverse osmosis/RO (osmosis terbalik).

Persoalan penggunaan teknologi  RO selama 40 tahun terakhir adalah penggunaan energi yang tinggi dan kecenderungan membran tersebut cepat terkotori bahkan sampai terbentuk kerak seperti di industri-industri karena ketebalan dan kelembutan membran yang tidak terkontrol  selama proses produksi. Secara khas membran RO saat ini (konvensional) mempunyai ketebalan antara 100 – 200 nanometer yang tidak dapat dikontrol dan kekasaran melebihi 80 nm. Dengan latar belakang tersebut, para peneliti dari Universitas Connecticut mengembangkan produksi membran yang lebih efektif, dengan mendesain ulang proses pembuatan membran RO untuk desalinasi.[2]

Skema Pembuatan Membran Reverse Osmosis (RO) terbaru

Electrospray dapat digunakan untuk membuat deposit monomer sebagai droplet-droplet berukuran nanoscale yang membentuk polyamida disebuah permukaan substrat. Selama proses electrospray , cairan terdorong keluar karena adanya arus listrik yang kuat.  Akibat adanya gaya kejut Coulumb , keluaran droplet dapat terdistribusi dengan baik dibawah ukuran 1 µm.

Perhatikan gambar di bawah berikut ini.

Gambar 1. ( A ) A side view of a schematic of the electrospray process. & ( B ) The top view schematic shows the needles and a stage assembly that can move “horizontally” for uniform coatings on a rotated drum.          

Sebuah rotating drum diletakkan di bawah dan terhubung dengan dua extruder  keluaran droplet monomer masing-masing  yang bersumber dari arus DC tegangan tinggi , kira-kira mampu memberi 30 kV. Jarak antara dua extruder keluaran droplet monomer dengan rotating drum berada antara 2-3 cm. Masing-masing extruder berisi larutan monomer yaitu m-phenylene diamine [MPD] dan trimesoyl chloride [TMC]  dengan rasio molar 4:1Larutan monomer dikeluarkan dari masing-masing extruder  dengan cara dispraykan , kemudian akan menempel dan berkumpul pada substrat rotating drum sampai reaksi berhenti ketika terjadi kontak antara dua monomer tersebut.[3]

Dengan proses tersebut mampu  mengontrol pembuatan membran dengan ketebalan 15 nm dan kapasitas untuk mengontrol ketebalan membran setiap increment 4 nm , disamping membran yang terbuat juga mempunyai  kekasaran hanya dibawah 2 nm. Karakteristik pembuatan membran ini juga dapat menghemat penggunaan bahan kimia , karena pembersihan dengan penambahan bahan kimia tradisional tidak dibutuhkan pada bagian proses fabrikasi membran ini.

Referensi:

  1. Muhaimin Iqbal. Water Crisis in Best Islands of the World. Diakses dari : http://www.geraidinar.com
  2. Maqsud R. Chowdhury,dkk.2018. Reverse osmosis membrane with tunable thickness. Diakses dari : http://www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180816143229.htm pada tanggal 18 Agustus 2018 
  3. Maqsud R.Chowdhury , James Steffes , Bryan D.Huey , Jeffrey R. Mccutcheon. 3 D printed polyamide membranes for desalination. Sciene , 2018 DOI :10.1126/sciene.aar2122

 

Bagikan Artikel ini di: