Komputer kuantum

Bagaimana komputer kuantum melindungi diri dari dirinya sendiri

Komputer kuantum oleh IBM ResearchCC BY-ND 2.0

Persaingan membuat komputer kuantum yang praktis sudah dimulai. Tahun lalu, beberapa penelitian sudah membuahkan hasil tak terduga. Pada bulan Oktober, tim peneliti di Google melaporkan bahwa mereka berhasil mendemonstrasikan tugas utama penelitian kuantum, di mana komputer kuantum dapat mengalahkan komputer biasa dalam menyelesaikan sebuah permasalahan matematika yang abstrak. Sementara itu, tim peneliti kuantum di IBM menyelesaikan beberapa permasalahan sederhana yang relevan dengan kimia dan keuangan dengan menggunakan prototipe perangkat keras (hardware) bersifat kuantum yang jika berhasil dibangun dengan skala lebih besar, akan menawarkan manfaat yang melebihi komputer biasa punya. Bulan Maret ini, Honeywell mengklaim bahwa mereka berhasil membangun komputer kuantum yang paling kuat dan terbuat dari trapped-ion qubits.

Meskipun demikian, komputer kuantum yang ada sekarang belum dapat mengeksekusi masalah-masalah yang terlalu kompleks karena perangkat kerasnya belum bekerja secara sempurna. Eror ini muncul baik dari gangguan eksternal, seperti medan magnet bumi yang dapat mengubah status kuantum dari qubit-nya (red. quantum bit), dan juga kesalahan yang berasal dari mesin itu sendiri, seperti kalibrasi laser yang kurang tepat.

Salah satu hambatan terbesar dalam ini adalah untuk membangun mesin yang dapat mengoreksi kesalahan perangkat keras secara aktual. “Perbaikan eror kuantum adalah cara untuk dapat mengubah qubit yang tidak stabil seperti yang ada sekarang menjadi sebuah perangkat yang mampu menyelesaikan masalah di dunia nyata,” ujar Ted Yoder, seorang peneliti teoretis yang bekerja di IBM.

APS (red. American Physical Society) March Meeting yang akhirnya dibatalkan tahun ini sempat dijadwalkan untuk menyuguhkan presentasi dari peneliti-peneliti dari dunia akademik dan industri tentang penelitian termutakhir dalam perbaikan eror kuantum. Sementara peneliti teoretis sudah mulai mempertimbangkan perbaikan eror kuantum sejak dua dekade yang lalu, peneliti eksperimental baru saja mulai mengerjakan aspek eksperimen yang sebenarnya. “Kita sedang transisi; yang awalnya kebanyakan bekerja di aspek teori sekarang ke implementasi praktis yang aktual,” ujar Yoder.

Sebuah kolaborasi antara IBM dan Raytheon, misalnya, baru-baru ini melaporkan demonstrasi dari koreksi eror real time menggunakan lima qubit. Sementara itu, di sisi teori, peneliti  mulai membuat kode-kode yang ada menjadi optimal dan membangun formalisasi matematis untuk memahami bagaimana algoritmanya bekerja. Area penelitian aktif yang lain adalah penelitian tentang bagaimana pemahaman teoretis ini dapat diimplementasikan ke dalam perangkat kuantum yang ada.

Untuk memperbaiki eror kuantum, diperlukan dua langkah. Yang pertama, eror yang terjadi selama komputasi berlangsung harus dideteksi dan yang kedua, adalah perbaikan pada erornya. Eror-eror ini muncul karena berbagai alasan, misalnya operasi pada sebuah kubit bisa saja secara tidak sengaja mempengaruhi kubit di sebelahnya yang secara spesifik dikenal dengan sebutan crosstalk. Peneliti yang bekerja pada bidang perbaikan eror merancang algoritma yang tangguh untuk menangani berbagai jenis-jenis eror fisis yang terjadi secara alami ini.

Eror kuantum membuat fisikawan menghadapi berbagai teka-teki. Algoritma klasik di yang digunakan komputer biasa untuk memperbaiki eror bekerja dengan cara menduplikasi data. Misalnya, dalam yang kita sebut dengan repetition-code (red. kode-berulang), sebuah komputer klasik bekerja dengan membuat beberapa salinan dari sebuah bit (misalnya 0 menjadi 000), sehingga jika salah satu bit terganggu saat transmisi (misalnya 000 terganggu menjadi 010), komputer masih dapat menerapkan algoritma “aturan mayoritas” untuk memperbaiki eror tersebut (010 dibaca 0 karena 0 mayoritas). Namun, kode ini tidak bisa diterapkan pada komputer kuantum karena qubit memiliki keterbatasan yang disebut dengan “Teorema No-Cloning,” yang melarang duplikasi dari sembarang kondisi partikel kuantum.

Secara garis besar, “untuk dapat melakukan perbaikan eror kuantum, saya harus mengetahui kondisi partikel kuantum di dalam sistem tanpa perlu melakukan ‘observasi’ sama sekali,” ujar Natalie Brown dari Georgia Institute of Technology, yang rencananya segera bekerja di Honeywell musim panas ini.

Salah satu strategi umum untuk menggunakan gugusan kubit secara fisis beberapa ion-terperangkap atau sirkuit superkonduktor, misalnya— agar secara kolektif dapat bekerja sebagai sebuah qubit yang dapat menyimpan informasi logika. Dalam skenario ini, beberapa qubit penyimpan data mengandung informasi yang dapat dikomputasi dan dipasangkan dengan kubit pendukung yang disebut dengan qubit pembantu (red. ancilla qubit). Komputer dapat menyimpulkan keberadaan eror dengan melakukan pengukuran kuantum pada qubit ancilla, dan ini mempertahankan kondisi kuantum partikel pada qubit datanya tanpa gangguan. Yoder baru-baru ini membuktikan bahwa qubit yang dibutuhkan dalam beberapa jenis strategi pengodean untuk perbaikan eror jauh lebih sedikit dari yang selama ini diperkirakan. “Kita bisa optimis tentang ketersediaan sumber daya yang dibutuhkan untuk memperbaiki eror,” katanya.

Namun, sebuah komputer kuantum yang dilengkapi perbaikan eror membutuhkan banyak sekali qubit. Komputer yang digunakan Google dalam eksperimen di atas, misalnya, terdiri dari 54 qubit dalam sirkuit superkonduktor. Untuk melakukan perbaikan eror, kebanyakan qubit-qubit ini  hanya akan berperan sebagai qubit ancilla, sementara hanya sedikit di antaranya yang berperan dalam proses utama komputasi. Karena qubit yang dimiliki perangkat yang ada sekarang sangat sedikit, sejauh ini masih sulit untuk dapat menerapkan algoritma untuk memperbaiki eror kuantum. “Usaha untuk memiliki qubit yang cukup supaya perbaikan eror dapat dilakukan masih terhitung baru,” ujar Brown.

Brown, yang baru saja menyelesaikan S3, sudah menggunakan simulasi dari komputer dengan 36 qubit untuk mempelajari suatu jenis eror yang disebut dengan eror bocoran (red. leakage error). Eror seperti ini muncul karena qubit-qubit ini tidak membentuk sistem yang sempurna pada dua kemungkinan; mereka bisa mengandung tingkat energi ketiga, keempat, atau lebih, dan eror bocoran terjadi ketika suatu kubit secara tak sengaja berada pada salah satu tingkat energi yang lebih tinggi dari yang seharusnya. Dalam sebuah analisis tentang eror ini, Brown menemukan bahwa eror bocoran di qubit ancilla berdampak lebih buruk daripada eror pada qubit data.

Proyek riset Brown didanai oleh Quantum Information Science and Engineer Network (QISE-NET), sebuah beasiswa yang dibiayai oleh National Science Foundation (NSF) Amerika yang dimulai pada tahun 2019, yang berasosiasi dengan The University of Chicago dan Harvard University. Beasiswa ini, yang ditargetkan pada mahasiswa-mahasiswi pascasarjana di bidang yang terkait dengan teknologi kuantum, memfasilitasi proyek-proyek yang melibatkan mahasiswa, pembimbing akademik, dan partner industri. Partner industri Brown adalah IBM.

Brown dan Yoder keduanya meneliti cara meniadakan eror dengan perangkat lunak. Michael Biercuk dari University of Sydney, berbeda dari keduanya, sudah mendirikan perusahaan startup yang disebut Q-CTRL (dibaca “kyu-kontrol”) yang menjual alat-alat berbasis pemelajaran mesin untuk mengidentifikasi dan meminimalkan eror pada perangkat keras. Pengguna dari layanan Q-CTRL termasuk di dalamnya adalah startup komputasi kuantum Rigetti, Massachusetts Institute of Technology (MIT), dan The University of Southern California.

Pendekatan ini disebut rekayasa kontrol (red. control engineering)  dan terinspirasi dari bagaimana Wright bersaudara menemukan pesawat pertama kali. Sebelum Wright bersaudara, para pembuat pesawat terbang tidak terpikir untuk menyediakan kontrol bagi pilotnya untuk bisa mengendalikan pesawat, namun berupaya agar pesawat dapat terbang dengan sendirinya. “Wright bersaudara berkata, ‘Lupakan itu’,” kata Biercuk. “Mereka adalah tukang sepeda. Mereka tahu persis kita bisa naik sepeda di jalanan dengan kendali penuh. Mereka mengambil gagasan ini dan mengaplikasikannya ke perancangan pesawat terbang.” Pesawat rancangan Wright terkenal terutama karena formasi sayapnya yang dapat dikontrol oleh pilot.

Usaha untuk memperbaiki eror melalui rekayasa perangkat keras, dikombinasikan dengan perbaikan eror kuantum, bisa saja membuahkan hasil berupa komputer kuantum yang bermanfaat. “Dalam dekade ini, sepertinya kita akan mendapatkan manfaat dari kemampuan untuk bisa mengendalikan sifat kuantum, dan perbaikan eror merupakan salah satu di antaranya,” ujar Yoder.

Tautan ke artikel asli: How To Protect A Quantum Computer From Itself / American Physical Society

Diterjemahkan oleh Radja Damanik dari saintifia dengan seizin dari yang bersangkutan, segala kesalahan translasi menjadi tanggungjawab kami.

Penulis artikel ini adalah penulis lepas dari Tucson, Arizona.