Dari LED ke Nombor Rawak: Bagaimana Semikonduktor III-Nitrida Merevolusikan Fotonik Kuantum

Penulis:  Ts. Dr. Sabah M. Mohammad¹, Prof. Madya Dr. Mundzir Abdullah¹ & Prof.Madya Ts. Dr. Mohd Syamsul Nasyriq Samsol Baharin¹

¹Institute of Nano Optoelectronics Research and Technology (INOR),
Universiti Sains Malaysia (USM)

Bayangkan telefon pintar anda mampu menghasilkan nombor rawak yang benar-benar mustahil diramal, walaupun oleh superkomputer paling berkuasa. Teknologi ini dikenali sebagai Penjana Nombor Rawak Kuantum atau Quantum Random Number Generator (QRNG). Menariknya, komponen utama bagi teknologi ini mungkin hanyalah LED kecil yang biasa digunakan dalam skrin televisyen dan pelbagai peranti elektronik harian. Dengan memanfaatkan sifat rawak dunia kuantum, QRNG berpotensi menjadi asas baharu kepada sistem keselamatan digital masa depan.

Bagi kebanyakan orang, LED hanyalah sumber cahaya kecil yang digunakan dalam telefon pintar, televisyen, lampu hadapan kereta, dan pencahayaan bilik; bagaimanapun, peranti harian ini juga mungkin menjadi komponen utama bagi teknologi kuantum masa hadapan. Mikro-LED III-nitrida bersaiz ultra-kecil sedang menarik perhatian besar kerana sistem digital masa hadapan, termasuk komunikasi selamat, kecerdasan buatan (AI), dan pengkomputeran kuantum, akan memerlukan kerawakan sebenar berbanding nombor rawak pseudo yang dijana secara matematik.

Walaupun penjana rawak konvensional hanya menganggarkan kerawakan dan akhirnya boleh diramal oleh komputer berkuasa tinggi, QRNG mengeksploitasi ketidakramalan sedia ada dalam fizik kuantum. Sebagai contoh, pancaran foton secara spontan daripada LED berlaku pada masa yang pada dasarnya tidak boleh diramal; oleh itu, tiada undang-undang fizik yang diketahui dapat menentukan dengan tepat bila satu foton akan dipancarkan. Kesannya, QRNG boleh menukar turun naik kuantum ini kepada aliran bit digital yang benar-benar rawak dan sangat selamat.

Malah, para saintis telah membangunkan banyak pendekatan kuantum untuk menjana kerawakan sebenar, termasuk QRNG berasaskan optik, semikonduktor, turun naik vakum, keterbelitan (entanglement), zarah, dan spin. Antaranya, QRNG semikonduktor adalah amat menarik kerana ia kompak, kos rendah, cekap tenaga, dan serasi dengan penyepaduan skala cip.

QRNG bukan sekadar peranti makmal masa hadapan; ia kini sedang pesat menjadi teknologi dunia sebenar. Sebagai contoh, sistem keselamatan siber pasca-kuantum masa hadapan akan memerlukan kunci penyulitan yang benar-benar rawak untuk menangkis serangan daripada komputer kuantum. Begitu juga, rangkaian 6G generasi seterusnya dan komunikasi satelit akan memerlukan kerawakan atas-cip ultra-pantas untuk penghantaran data yang selamat, di mana QRNG berasaskan mikro-LED berpotensi menyokong kadar data multi-gigabit. Di samping itu, sistem kecerdasan buatan dan pengkomputeran awan sangat bergantung pada kerawakan untuk simulasi dan latihan rangkaian saraf (neural network). Kesannya, cip QRNG kompak berkuasa rendah mungkin akan disepadukan ke dalam barangan elektronik harian tidak lama lagi, seperti telefon pintar, peranti boleh pakai, kereta pintar, dan sistem Internet Pelbagai Benda (IoT).

LED boleh menjana nombor rawak sebenar kerana pancaran cahayanya dikawal oleh pancaran spontan, iaitu satu proses kuantum di mana masa pancaran tepat bagi setiap foton pada dasarnya tidak boleh diramal. Kesannya, turun naik kecil dalam keamatan cahaya LED menghasilkan hingar tembakan (shot noise) kuantum yang boleh diukur, yang kemudiannya boleh ditukar menjadi bit digital rawak yang selamat.  Selain itu, mikro-LED bersaiz ultra-kecil amat menarik untuk QRNG kerana ia menawarkan kelajuan ultra-tinggi, penggunaan kuasa yang rendah, dan penyepaduan skala cip yang mudah. Khususnya, mikro-LED III-nitrida yang berasaskan bahan seperti GaN, InGaN, dan AlGaN menggabungkan pancaran cahaya yang cekap, operasi berkelajuan gigahertz, keteguhan terma yang tinggi, serta keserasian dengan teknologi pembuatan semikonduktor yang matang. Oleh itu, peranti ini muncul sebagai calon yang kuat untuk sistem “kuantum-dalam-cip” kompak masa hadapan yang digunakan dalam komunikasi selamat dan teknologi fotonik kuantum termaju. Sebagai mekanismenya, suntikan elektrik di dalam mikro-LED menghasilkan peristiwa pancaran foton rawak yang sememangnya tidak boleh diramal disebabkan oleh mekanik kuantum. Foton-foton ini dikesan oleh pengesan foton tunggal, dan masa ketibaan rawaknya ditukar menjadi bit rawak digital.

Walaupun beberapa cabaran masih wujud, termasuk kemerosotan kecekapan dalam mikro-LED bersaiz ultra-kecil, hingar pasca-pemprosesan, dan pensijilan kerawakan, kemajuan pesat sedang dicapai. Pada masa yang sama, industri semikonduktor sedang melabur secara besar-besaran dalam teknologi mikro-LED untuk paparan, elektronik, dan sistem realiti terimbuh (augmented reality), yang boleh mengurangkan kos pembuatan QRNG masa hadapan secara signifikan. Para penyelidik percaya bahawa cip QRNG berasaskan mikro-LED yang kompak mungkin akan menjadi biasa seperti penderia imej atau suhu dalam peranti harian tidak lama lagi. Tambahan pula, oleh kerana mikro-LED III-nitrida boleh beroperasi merentasi pelbagai warna daripada gelombang ultralembayung (ultraviolet) hingga cahaya nampak, ia akhirnya boleh membolehkan platform fotonik kuantum bersepadu sepenuhnya, termasuk penyulitan kuantum atas-cip dan sistem komunikasi kuantum kompak. Oleh itu, perjalanan “dari LED ke nombor rawak” mungkin hanya mewakili permulaan kepada revolusi fotonik kuantum yang jauh lebih besar.

Biodata Penulis:

Ts. Dr. Sabah M. Mohammad merupakan seorang Pensyarah Kanan di Institut Penyelidikan dan Teknologi Nano Optoelektronik (INOR), Universiti Sains Malaysia (USM). Beliau merupakan Ahli Bersekutu bagi Projek 3: III-Nitrida untuk Peranti Nanofotonik, yang merupakan salah satu bidang tujuan di INOR bagi Pusat Kecemerlangan Pendidikan Tinggi (HICoE) yang baharu dilantik di bawah Kementerian Pendidikan Tinggi (KPT). Beliau telah menghasilkan sekitar 90 makalah akademik yang berkaitan dengan bidang penyelidikan beliau, memegang satu paten yang telah didaftarkan, dan telah menulis bab untuk beberapa buah buku. Beliau pakar dalam penderia optik dan fotonik, optoelektronik plasmonik, serta fizik laser. Beliau terlibat secara khusus dalam fabrikasi dan pencirian peranti optoelektronik, elektronik dan fotonik, termasuk diod pemancar cahaya (LED), sel suria, pengesan foto, penderia gas, dan penderia-penderia lain berasaskan nanostruktur. Penyelidikan beliau menggunakan secara meluas bahan semikonduktor sela jalur luas seperti GaN, ZnO, dan nitrida/oksida logam yang lain, serta pelbagai bahan semikonduktor 1D, 2D, dan 3D. Selain itu, beliau merupakan ahli bagi Persatuan Sains dan Teknologi Keadaan Pepejal Malaysia (MASS).

Profesor Madya Dr. Mundzir Abdullah merupakan seorang penyelidik dan ahli akademik di Institut Penyelidikan dan Teknologi Nano Optoelektronik (INOR), Universiti Sains Malaysia dalam bidang semikonduktor optik, khususnya dalam fenomena optik tidak linear dan teknologi fotonik. Penyelidikan beliau berfokus pada interaksi laser–jirim, nanofotonik, serta pembangunan peranti optik berprestasi tinggi, termasuk struktur fotonik berasaskan sebatian III-nitrida.

Ts. Dr. Mohd Syamsul Nasyriq Samsol Baharin merupakan Profesor Madya di Institut Penyelidikan dan Teknologi Nano Optoelektronik (INOR), Universiti Sains Malaysia (USM), serta seorang penyelidik dalam bidang semikonduktor nanoelektronik dengan kepakaran khusus dalam nanosains bahan dan nanokejuruteraan. Kepakaran beliau turut diperkukuh melalui latihan dan kolaborasi penyelidikan lanjutan di Jepun, khususnya dalam teknologi bahan termaju semikonduktor GaN dan berlian, serta dalam pembangunan peranti moden. Beliau juga terlibat secara aktif dalam penetapan standard peranti semikonduktor di peringkat kebangsaan dan antarabangsa melalui keahlian dalam Jawatankuasa Peranti Semikonduktor, International Electrotechnical Commission (IEC), serta Jabatan Standard Malaysia (JSM).