Selama 15 hari pada bulan Desember lalu, operasi kuantum yang kompleks berlangsung jauh di bawah Kota New York. Foton cahaya mengalir di sekitar area yang membentang dari Brooklyn Navy Yard hingga Corona, Queens, membentuk jaringan kuantum sepanjang 21 mil (34 kilometer) di bawah kota metropolitan tersebut.
Perusahaan perangkat keras kuantum, Qunnect, menjalankan eksperimen tersebut di tempat pengujian GothamQ miliknya. Jaringan kuantum tersebut beroperasi pada serat optik yang sudah ada yang membentuk sebagian infrastruktur telekomunikasi New York. Perbedaan utama antara telekomunikasi bawah tanah tradisional dan eksperimen terkini adalah, alih-alih foton biasa yang bergerak melalui kabel, tim Qunnect mentransmisikan foton yang terjerat dan terpolarisasi—yaitu, foton dalam keadaan kuantum. Penelitian tim tersebut dipublikasikan di PRX Quantum.
“Selalu sulit untuk menjelaskan apa yang akan dilakukan infrastruktur generasi berikutnya bagi Anda. Sering kali orang-orang yang menciptakan infrastruktur tersebut tidak mengetahuinya,” kata Mehdi Namazi, seorang fisikawan kuantum dan Kepala Pejabat Sains di Qunnect, dalam panggilan video dengan Gizmodo. “Sangat sulit untuk mengatakan apa yang akan menjadi kasus penggunaan, karena itu seperti mendefinisikan apa yang akan menjadi aplikasi internet.”
Namazi mengatakan bahwa sebagian besar pekerjaan tim tersebut adalah “sejauh ini merupakan teknologi mutakhir dalam jaringan kuantum.” Untuk menjalankan jaringan kuantumnya, tim tersebut menghasilkan pasangan foton—partikel cahaya—menggunakan sel uap rubidium-87. Pasangan foton tersebut terjerat, yang berarti bahwa sifat salah satu foton ditentukan oleh yang lain, dan sebaliknya. Keterjeratan adalah sifat kuantum; oleh karena itu, tim tersebut menggunakan foton sebagai bit kuantum (atau qubit) untuk komunikasi. Qubit adalah dasar dari komputer kuantum. Sering kali terdiri dari atom-atom dalam suatu susunan, qubit tersebut dijaga agar tetap sangat dingin sehingga dapat memasuki keadaan kuantum, yang memberinya sifat-sifat yang membuatnya berguna untuk komputasi yang kompleks.
Proyek terbaru mengirimkan setengah juta pasang foton per detik melalui infrastruktur kabel, yang berarti 648 miliar pasang foton ditembakkan melalui sistem selama percobaan 15 hari. Percobaan sebelumnya menggunakan infrastruktur serupa hanya mencapai tingkat sekitar 10.000 hingga 20.000 pasang foton per detik.
Tidak seperti komputer kuantum, yang perlu disimpan pada suhu sangat dingin agar tetap dalam keadaan kuantum, foton dapat membawa informasi kuantum pada suhu sekitar. Berkat sifat unik partikel cahaya ini, tim tersebut dapat menggunakan infrastruktur berskala besar yang ada di New York untuk pekerjaan mereka, alih-alih eksperimen yang lebih kecil dalam lingkungan laboratorium yang dikelola dengan cermat.
Jaringan tetap beroperasi selama 99,84% dari durasi percobaan, yang berakhir hanya karena ada hal lain yang harus diselesaikan. Dengan kata lain, jaringan tidak menunjukkan tanda-tanda akan kehilangan keadaan terjeratnya jika percobaan dilanjutkan.
Bagian dari inovasi tim adalah menghentikan operasi untuk rentang waktu yang sangat singkat (kita berbicara tentang milidetik) untuk mengirim pulsa cahaya klasik melalui sistem sebagai referensi untuk mengukur sistem dan memeriksa gangguan yang dapat mengganggu operasi kuantum foton. Gangguan tersebut—proses yang disebut multiplexing waktu—hanya menghentikan operasi selama 0,16% dari eksperimen 15 hari, yang mengarah ke waktu aktif 99,84% yang disebutkan sebelumnya.
“Pekerjaan kami membuka jalan bagi penerapan praktis jaringan berbasis keterikatan 24/7 dengan kecepatan dan kesetiaan yang memadai untuk banyak kasus penggunaan saat ini dan di masa mendatang,” tulis tim tersebut dalam makalahnya.
“Semua yang telah kami coba kembangkan berpusat pada gagasan 'apakah ini praktis?',” kata Namazi. “Dapatkah ini secara praktis mendistribusikan keterikatan dengan cara yang sangat kuat, stabil, dan berkualitas tinggi sehingga Anda selalu dapat yakin bahwa ini berguna dalam aplikasi, baik untuk keamanan siber atau visi yang lebih luas tentang seperti apa internet kuantum nantinya?”
Aplikasi teknologi yang paling cepat, katanya, adalah dalam keamanan siber. “Jika Anda dapat menggunakannya untuk mengirim angka 0 dan 1, atau menggunakannya sebagai cara untuk membuat kunci enkripsi, akan jauh lebih sulit untuk meretasnya,” kata Namazi. “Jika sesuatu terjadi pada salah satu foton Anda, yang lain akan segera mengetahuinya. Dan tidak ada yang dapat dilakukan peretas tentang hal itu karena tidak ada cara untuk mereplikasi koneksi semacam ini.”
Masih ada jalan panjang yang harus ditempuh menuju penerapan praktis, dan bahkan lebih panjang lagi untuk konsep yang masih abstrak seperti internet kuantum. Namazi mengatakan laju transmisi foton “tidak seperti 5G, jauh dari kata mendekati” tetapi setidaknya “10 kali lebih baik daripada internet dial-up.”
Meskipun banyak aplikasi—bahkan beberapa implikasi yang paling luas dan signifikan dari karya tersebut—masih jauh di depan mata, eksperimen tersebut merupakan pengingat yang hebat tentang sains yang dilakukan di sekitar kita. Lain kali Anda terjebak di kereta bawah tanah, setidaknya Anda akan dapat merenungkan fisika luar biasa yang terjadi, juga di bawah tanah, di suatu tempat di dekat Anda. Tentu saja, foton mencapai tujuannya jauh lebih cepat daripada Anda.