Mengapa matahari sebelumnya dianggap tidak cocok?

Para peneliti biasanya menggunakan laser sebagai “pompa” dalam proses spontaneous parametric down-conversion (SPDC). Dalam proses ini, satu foton berenergi lebih tinggi melewati kristal nonlinier lalu berubah menjadi dua foton berenergi lebih rendah yang dapat memiliki keterkaitan kuantum.

Laser dianggap penting karena foton-fotonnya memiliki fase, arah rambat, dan panjang gelombang yang sangat teratur. Sebaliknya, cahaya matahari bersifat tidak koheren: fotonnya datang dari arah yang berbeda, memiliki fase acak, dan mencakup rentang warna yang luas. Selama ini, ketidakteraturan tersebut diperkirakan akan menghapus korelasi kuantum yang diperlukan.

Kunci teorinya: gunakan polarisasi

Terobosan utama penelitian ini adalah pembuktian bahwa keterikatan pada derajat kebebasan polarisasi tidak memerlukan koherensi spasial maupun spektral dari cahaya pemompa.

Polarisasi merujuk pada arah osilasi gelombang cahaya. Jika informasi kuantum disimpan dalam polarisasi foton, keterikatan tersebut tetap dapat bertahan meskipun arah rambat dan panjang gelombang cahaya matahari berubah-ubah. Yang paling penting adalah konsistensi arah osilasi gelombang cahaya .

Pemahaman ini membuka kemungkinan untuk menggunakan sumber alami yang tidak koheren dan memiliki spektrum lebar, seperti sinar matahari, sebagai sumber pompa SPDC.

Bagaimana cahaya matahari difokuskan?

Intensitas cahaya matahari secara alami terlalu rendah dan terlalu menyebar untuk menggerakkan proses SPDC pada kristal nonlinier berukuran sekitar satu milimeter. Tantangan rekayasa inilah yang diselesaikan tim MPL yang dipimpin Hamed Fattahi.

Sistemnya menggunakan dua tahap konsentrasi cahaya:

• Lensa Fresnel berukuran seperti jendela mengumpulkan sinar matahari dari area sekitar 1,4 m² .
• Konsentrator surya berbentuk kerucut dari kaca kembali memampatkan cahaya tersebut dan memasukkannya ke dalam serat optik multimode.
• Serat optik itu kemudian menyalurkan cahaya terkonsentrasi ke kristal nonlinier kecil untuk memicu proses SPDC .

Susunan ini meningkatkan iradiasi pada kristal hingga beberapa orde magnitudo, sehingga produksi pasangan foton terjerat dari sinar matahari menjadi memungkinkan.

Potensi untuk teknologi kuantum

Mengurangi konsumsi energi

Laser untuk eksperimen kuantum membutuhkan daya dan perangkat pendukung yang tidak sedikit. Jika sumber cahaya matahari dapat dikembangkan sebagai pengganti dalam aplikasi tertentu, konsumsi energi sumber keterikatan kuantum berpotensi berkurang, terutama pada perangkat jarak jauh atau sistem yang sulit memperoleh pasokan listrik .

Namun, temuan ini belum berarti laser dapat segera ditinggalkan. Laser masih menghasilkan pasangan foton dengan laju jauh lebih tinggi dan menawarkan kendali yang lebih stabil.

Komunikasi kuantum berbasis satelit

Satelit menerima paparan sinar matahari yang melimpah selama berada di orbit. Secara teori, sumber keterikatan yang dipompa oleh cahaya matahari dapat membuat perangkat komunikasi kuantum di satelit lebih sederhana, ringan, dan hemat energi dibandingkan sistem yang memerlukan laser berdaya tinggi.

Salah satu kemungkinan aplikasinya adalah distribusi kunci kuantum atau QKD, yaitu metode pertukaran kunci enkripsi yang memanfaatkan sifat kuantum untuk mendeteksi upaya penyadapan . Meski demikian, kemungkinan tersebut masih memerlukan pengembangan dan pengujian lebih lanjut.

Keterbatasan yang masih harus diatasi

• Laju produksi masih rendah. Sumber berbasis sinar matahari menghasilkan sekitar 1,5 pasangan foton per detik, jauh di bawah sistem berbasis laser yang dapat menghasilkan jutaan pasangan per detik .
• Bergantung pada cuaca dan waktu. Eksperimen dilakukan pada siang hari yang cerah. Awan, hamburan atmosfer, dan posisi matahari memengaruhi kinerja sistem, sehingga perangkat di bumi tidak dapat beroperasi secara konsisten sepanjang waktu .
• Perangkat pengumpul cahaya masih besar. Lensa Fresnel seluas 1,4 m² dan konsentrator berbentuk kerucut belum praktis untuk langsung dipasang pada perangkat lapangan atau satelit.
• Sebagian besar spektrum matahari belum termanfaatkan. Hanya rentang kecil spektrum cahaya matahari yang memenuhi kondisi pencocokan fase pada kristal nonlinier, sehingga banyak energi cahaya yang terkumpul terbuang .
• Masih berupa pembuktian konsep. Sistem saat ini belum menjadi perangkat siap pakai. Efisiensi, kestabilan, dan ukuran harus ditingkatkan sebelum sumber kuantum bertenaga matahari dapat digunakan di luar lingkungan eksperimen .

Dengan demikian, pencapaian ini lebih tepat dipandang sebagai langkah awal penting daripada pengganti langsung teknologi laser. Penelitian tersebut menunjukkan bahwa cahaya matahari yang tampak kacau tetap dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan korelasi kuantum berkualitas tinggi—selama sistemnya dirancang untuk mempertahankan informasi pada polarisasi foton.

Mengapa matahari sebelumnya dianggap tidak cocok?

Para peneliti biasanya menggunakan laser sebagai “pompa” dalam proses spontaneous parametric down-conversion (SPDC). Dalam proses ini, satu foton berenergi lebih tinggi melewati kristal nonlinier lalu berubah menjadi dua foton berenergi lebih rendah yang dapat memiliki keterkaitan kuantum.

Laser dianggap penting karena foton-fotonnya memiliki fase, arah rambat, dan panjang gelombang yang sangat teratur. Sebaliknya, cahaya matahari bersifat tidak koheren: fotonnya datang dari arah yang berbeda, memiliki fase acak, dan mencakup rentang warna yang luas. Selama ini, ketidakteraturan tersebut diperkirakan akan menghapus korelasi kuantum yang diperlukan.

Kunci teorinya: gunakan polarisasi

Terobosan utama penelitian ini adalah pembuktian bahwa keterikatan pada derajat kebebasan polarisasi tidak memerlukan koherensi spasial maupun spektral dari cahaya pemompa.

Polarisasi merujuk pada arah osilasi gelombang cahaya. Jika informasi kuantum disimpan dalam polarisasi foton, keterikatan tersebut tetap dapat bertahan meskipun arah rambat dan panjang gelombang cahaya matahari berubah-ubah. Yang paling penting adalah konsistensi arah osilasi gelombang cahaya .

Pemahaman ini membuka kemungkinan untuk menggunakan sumber alami yang tidak koheren dan memiliki spektrum lebar, seperti sinar matahari, sebagai sumber pompa SPDC.

Bagaimana cahaya matahari difokuskan?

Intensitas cahaya matahari secara alami terlalu rendah dan terlalu menyebar untuk menggerakkan proses SPDC pada kristal nonlinier berukuran sekitar satu milimeter. Tantangan rekayasa inilah yang diselesaikan tim MPL yang dipimpin Hamed Fattahi.

Sistemnya menggunakan dua tahap konsentrasi cahaya:

• Lensa Fresnel berukuran seperti jendela mengumpulkan sinar matahari dari area sekitar 1,4 m² .
• Konsentrator surya berbentuk kerucut dari kaca kembali memampatkan cahaya tersebut dan memasukkannya ke dalam serat optik multimode.
• Serat optik itu kemudian menyalurkan cahaya terkonsentrasi ke kristal nonlinier kecil untuk memicu proses SPDC .

Susunan ini meningkatkan iradiasi pada kristal hingga beberapa orde magnitudo, sehingga produksi pasangan foton terjerat dari sinar matahari menjadi memungkinkan.

Potensi untuk teknologi kuantum

Mengurangi konsumsi energi

Laser untuk eksperimen kuantum membutuhkan daya dan perangkat pendukung yang tidak sedikit. Jika sumber cahaya matahari dapat dikembangkan sebagai pengganti dalam aplikasi tertentu, konsumsi energi sumber keterikatan kuantum berpotensi berkurang, terutama pada perangkat jarak jauh atau sistem yang sulit memperoleh pasokan listrik .

Namun, temuan ini belum berarti laser dapat segera ditinggalkan. Laser masih menghasilkan pasangan foton dengan laju jauh lebih tinggi dan menawarkan kendali yang lebih stabil.

Komunikasi kuantum berbasis satelit

Satelit menerima paparan sinar matahari yang melimpah selama berada di orbit. Secara teori, sumber keterikatan yang dipompa oleh cahaya matahari dapat membuat perangkat komunikasi kuantum di satelit lebih sederhana, ringan, dan hemat energi dibandingkan sistem yang memerlukan laser berdaya tinggi.

Salah satu kemungkinan aplikasinya adalah distribusi kunci kuantum atau QKD, yaitu metode pertukaran kunci enkripsi yang memanfaatkan sifat kuantum untuk mendeteksi upaya penyadapan . Meski demikian, kemungkinan tersebut masih memerlukan pengembangan dan pengujian lebih lanjut.

Keterbatasan yang masih harus diatasi

• Laju produksi masih rendah. Sumber berbasis sinar matahari menghasilkan sekitar 1,5 pasangan foton per detik, jauh di bawah sistem berbasis laser yang dapat menghasilkan jutaan pasangan per detik .
• Bergantung pada cuaca dan waktu. Eksperimen dilakukan pada siang hari yang cerah. Awan, hamburan atmosfer, dan posisi matahari memengaruhi kinerja sistem, sehingga perangkat di bumi tidak dapat beroperasi secara konsisten sepanjang waktu .
• Perangkat pengumpul cahaya masih besar. Lensa Fresnel seluas 1,4 m² dan konsentrator berbentuk kerucut belum praktis untuk langsung dipasang pada perangkat lapangan atau satelit.
• Sebagian besar spektrum matahari belum termanfaatkan. Hanya rentang kecil spektrum cahaya matahari yang memenuhi kondisi pencocokan fase pada kristal nonlinier, sehingga banyak energi cahaya yang terkumpul terbuang .
• Masih berupa pembuktian konsep. Sistem saat ini belum menjadi perangkat siap pakai. Efisiensi, kestabilan, dan ukuran harus ditingkatkan sebelum sumber kuantum bertenaga matahari dapat digunakan di luar lingkungan eksperimen .

Dengan demikian, pencapaian ini lebih tepat dipandang sebagai langkah awal penting daripada pengganti langsung teknologi laser. Penelitian tersebut menunjukkan bahwa cahaya matahari yang tampak kacau tetap dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan korelasi kuantum berkualitas tinggi—selama sistemnya dirancang untuk mempertahankan informasi pada polarisasi foton.