Penelitian teknologi kuantum di negara kami mencapai terobosan baru, jaringan kuantum menuju kemungkinan menjadi kenyataan

Menurut berita dari Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok, Baru-baru ini, Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok, yang dipimpin oleh Pan Jianwei dan rekan-rekannya, mencapai terobosan besar dalam penelitian jaringan kuantum yang dapat diperluas. Wang Ye, Wan Yong, Zhang Qiang, Pan Jianwei, dan lainnya bekerja sama dengan Institut Teknologi Kuantum Jinan, Institut Teknologi Mikro dan Sistem Informasi Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Universitas Hong Kong, Universitas Tsinghua, dan peneliti lainnya, membangun modul dasar untuk pengulangan kuantum yang dapat diperluas, sehingga jaringan kuantum jarak jauh menjadi kemungkinan nyata. Pada saat yang sama, Bao Xiaohui, Xu Feihu, Zhang Qiang, Pan Jianwei, dan lainnya bekerja sama dengan Institut Teknologi Kuantum Jinan, Universitas Nasional Singapura, Universitas Waterloo Kanada, dan lainnya, untuk mewujudkan entanglement jarak jauh berkualitas tinggi antar node atom tunggal, dan berbasis pada hal tersebut, memecahkan jarak transmisi kunci kuantum tanpa perangkat (DI-QKD) melewati 100 kilometer, secara besar-besaran mendorong proses praktikalisasi teknologi ini. Dua pencapaian tersebut dipublikasikan pada tanggal 3 dan 6 Februari menurut waktu Beijing di jurnal akademik internasional yang berwenang, Nature dan Science.

Terobosan di atas merupakan pencapaian tonggak lain bagi Tiongkok dalam bidang komunikasi kuantum dan jaringan kuantum setelah satelit kuantum “Mozi”, menandai bahwa jaringan kuantum berbasis entanglement kuantum melalui serat optik sedang bergerak dari konsep teoretis menuju kemungkinan nyata, dan semakin memperluas keunggulan internasional Tiongkok di bidang ini.

Tujuan akhir dari ilmu informasi kuantum adalah membangun jaringan kuantum yang efisien dan aman: menggunakan pengukuran kuantum presisi tinggi untuk mendeteksi informasi secara akurat, menggunakan komunikasi kuantum untuk transmisi informasi yang aman dan efisien, serta menggunakan komputasi kuantum untuk mempercepat proses pengolahan informasi secara eksponensial, sehingga merevolusi kemampuan kita dalam memahami dunia materi. Elemen dasar pembangunan jaringan kuantum adalah distribusi entanglement kuantum deterministik jarak jauh, dan berdasarkan entanglement kuantum ini, tidak hanya dapat melakukan transmisi informasi klasik yang aman melalui distribusi kunci kuantum, tetapi juga menyediakan satu-satunya jalur efektif untuk interaksi informasi kuantum antara komputer kuantum dan pengguna melalui teleportasi kuantum.

图1. Skema jaringan kuantum

Kerugian intrinsik serat optik menyebabkan efisiensi transmisi entanglement kuantum menurun secara eksponensial seiring jarak, menjadi tantangan terbesar dalam membangun jaringan kuantum yang dapat diperluas. Misalnya, setelah transmisi langsung melalui serat standar sejauh 1000 kilometer, sinyal optik akan melemah hingga 10^-20 dari kekuatan awal (sepertriliun bagian dari satu), yang berarti bahkan jika setiap detik mengirimkan 10^9 pasangan foton entanglement, rata-rata baru akan menerima satu pasangan entanglement setiap 300 tahun.

Skema pengulangan kuantum adalah solusi efektif untuk mengatasi kerugian transmisi serat optik: misalnya, dalam jalur serat sepanjang 1000 kilometer, dapat ditempatkan stasiun pengulangan setiap 100 kilometer, menghasilkan entanglement di antara stasiun yang berdekatan, lalu melalui pertukaran entanglement menghubungkan segmen-segmen tersebut untuk mendistribusikan entanglement secara efektif ke lokasi yang jauh. Dengan skema ini, menggunakan sumber cahaya dengan laju emisi yang sama, dapat menerima 10^8 pasangan foton entanglement setiap detik, meningkatkan efisiensi transmisi hingga 10^18 kali lipat. Oleh karena itu, pengulangan kuantum selalu menjadi fokus utama penelitian jaringan kuantum berbasis serat optik.

图2. Diagram prinsip pengulangan kuantum. (1) Antara node pengulangan tetangga (misalnya A dan B, B dan C, dan seterusnya) dibangun entanglement melalui interferensi foton. (2) Pada node B, dilakukan pertukaran entanglement, sehingga entanglement dapat dibangun antara node A dan C, dan seterusnya. (3) Melalui pertukaran entanglement tingkat multi, jarak entanglement diperluas secara bertahap, akhirnya membangun entanglement antara node A dan K yang paling jauh.

Sejak tahun 1998, Pan Jianwei dan rekan-rekannya telah memamerkan koneksi entanglement kuantum secara internasional. Setelah itu, tim penelitian domestik dan internasional mencapai sejumlah kemajuan penting. Namun, selama hampir 30 tahun terakhir, satu tantangan teknologi utama yang belum terselesaikan adalah: umur entanglement jauh lebih singkat daripada waktu yang dibutuhkan untuk menghasilkan entanglement, sehingga selama umur entanglement tersebut, entanglement yang berdekatan sulit dipastikan secara deterministik, dan oleh karena itu tidak dapat melakukan koneksi entanglement yang efektif, yang secara serius membatasi skalabilitas pengulangan kuantum.

Mengatasi tantangan inti ini, tim peneliti dari Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok mengembangkan memori kuantum ion tertahan dengan umur panjang, antarmuka komunikasi ion-foton yang efisien tinggi, dan protokol entanglement foton tunggal berkualitas tinggi, untuk mewujudkan entanglement kuantum berumur panjang, di mana umur entanglement (550 ms) secara signifikan melebihi waktu yang dibutuhkan untuk membangun entanglement (450 ms), sehingga berhasil membangun modul dasar pengulangan kuantum yang dapat diperluas, memungkinkan jaringan kuantum jarak jauh menjadi kenyataan.

图3. Skema prinsip modul dasar pengulangan kuantum yang dapat diperluas. (1) Eksperimen terdiri dari memori kuantum ion tertahan berumur panjang, modul konversi frekuensi kuantum yang efisien tinggi, dan modul interferensi foton tunggal dengan kontras tinggi. (2) Kecepatan pembuatan entanglement adalah 2.226 Hz, yaitu waktu tunggu sekitar 450 ms. (3) Umur entanglement sekitar 550 ms.

Distribusi entanglement jarak jauh secara langsung dapat digunakan untuk komunikasi rahasia kuantum dengan tingkat keamanan tertinggi dalam kondisi nyata. Sebelumnya, skema komunikasi rahasia kuantum memerlukan kalibrasi parameter perangkat secara tepat untuk menjamin keamanan praktis, yang seringkali menyulitkan aplikasi nyata. Namun, skema distribusi kunci kuantum tanpa perangkat berbasis entanglement (DI-QKD) melampaui batasan ini: bahkan jika perangkat kuantum tidak dapat dipercaya sama sekali, selama kedua pihak mampu membangun entanglement berkualitas tinggi dan memverifikasi pelanggaran ketidaksetaraan Bell tanpa celah, mereka dapat menjamin keamanan distribusi kunci secara ketat tanpa perlu kalibrasi parameter perangkat secara tepat. Oleh karena itu, DI-QKD dipuji oleh salah satu pendiri kriptografi kuantum dan pemenang Wolf Prize 2018, Gilles Brassard, sebagai “Cawan Suci” yang dicari para ahli kriptografi selama berabad-abad.

Namun, implementasi eksperimen DI-QKD menghadapi tantangan teknologi yang sangat berat. Entanglement kuantum antar node jarak jauh harus memenuhi dua syarat utama: (1) memiliki efisiensi deteksi yang sangat tinggi untuk menutup celah kerentanan efisiensi detektor; (2) mempertahankan fidelitas entanglement yang sangat tinggi untuk memastikan pelanggaran ketidaksetaraan Bell yang cukup signifikan. Terbatas oleh kerugian serat optik jarak jauh dan noise sistem, sebagian besar eksperimen terkait sebelumnya terbatas pada jarak pendek (biasanya beberapa meter hingga ratusan meter), jauh dari kebutuhan aplikasi nyata.

Berdasarkan teknologi pengulangan kuantum yang dapat diperluas, tim peneliti dari Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok berhasil mewujudkan entanglement berkualitas tinggi antar dua atom rubidium jarak jauh: pada jalur serat sepanjang 100 km, fidelitas entanglement antar node atom tetap di atas 90%, jauh lebih baik dari hasil eksperimen internasional sebelumnya. Berdasarkan pencapaian ini, tim juga merealisasikan distribusi kunci kuantum tanpa perangkat di jaringan serat kota: menyelesaikan analisis keamanan berbasis data terbatas dan pembuktian ketat dalam jalur serat 11 km, meningkatkan jarak transmisi sekitar 3000 kali lipat dari hasil terbaik sebelumnya; dan dalam jalur serat 100 km, menunjukkan kemungkinan pembuatan kunci, meningkatkan jarak transmisi lebih dari dua kali lipat dari hasil eksperimen internasional terbaik sebelumnya.

图4. Skema eksperimen DI-QKD jarak 100 km. Dua node ujung mengirimkan foton melalui proses generasi foton Rydberg, yang kemudian ditransmisikan melalui serat panjang ke node tengah dan mengalami interferensi. Setelah deteksi peristiwa prediksi, kedua atom di ujung diproyeksikan ke keadaan entanglement jarak jauh, sehingga distribusi entanglement tercapai. Selanjutnya, kedua ujung melakukan pengukuran acak basis terhadap atom, hasil pengukuran digunakan untuk pengujian ketidaksetaraan Bell guna memverifikasi keamanan, dan setelah verifikasi, data diproses untuk menghasilkan kunci aman.

Dua penelitian di atas didukung oleh proyek utama teknologi nasional, Komite Ilmu Pengetahuan Alam Nasional, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, serta dana dari Provinsi Anhui, Kota Hefei, Provinsi Shandong, Kota Jinan, dan Biro Penelitian Hong Kong.

（Sumber artikel: Cailian News）