Para peneliti di ETH Zurich telah mengembangkan metode baru untuk melakukan operasi kuantum yang secara signifikan mengurangi tingkat kesalahan pada komputer kuantum atom netral. Dengan memanfaatkan fenomena fisik yang dikenal sebagai fase geometris, pendekatan baru ini menciptakan gerbang pertukaran (swap gate) yang jauh lebih stabil dibandingkan metode tradisional, sehingga membawa teknologi lebih dekat ke kegunaan praktis dan berskala besar.
Temuan ini, yang dipublikasikan pada tanggal 8 April di jurnal Nature, mengatasi salah satu hambatan paling persisten dalam komputasi kuantum: kerentanan ekstrim qubit terhadap kesalahan yang disebabkan oleh kebisingan lingkungan dan ketidaksempurnaan perangkat keras.
Masalah: Kerapuhan dalam Menghadapi Kebisingan
Komputer kuantum memperoleh kekuatannya dari qubit, yang dapat berada dalam superposisi status (0 dan 1 secara bersamaan). Untuk melakukan penghitungan, sistem ini menggunakan gerbang logika untuk memanipulasi qubit. Komponen penting adalah swap gate, yang menukar status dua qubit, sehingga informasi dapat dirutekan melalui prosesor.
Namun, metode saat ini untuk membuat gerbang pertukaran dalam sistem atom netral sangatlah sensitif. Sistem ini biasanya menggunakan laser untuk menahan atom netral (seperti kalium) di tempatnya, sehingga membentuk kisi optik. Gerbang swap tradisional bergantung pada:
* Keadaan elektronik yang sangat bersemangat.
* Tabrakan atom.
* Efek terowongan kuantum.
Teknik-teknik ini sangat bergantung pada ketepatan waktu dan intensitas laser. Bahkan fluktuasi mikroskopis dalam kekuatan atau waktu laser dapat menimbulkan kesalahan, menyebabkan gerbang gagal berfungsi. Sensitivitas ini berkontribusi pada tingkat kesalahan yang tinggi pada bit kuantum saat ini—kira-kira 1 dalam 1.000 —dibandingkan dengan tingkat kesalahan 1 dalam 1 triliun pada bit silikon konvensional. Perbedaan ini mencegah komputer kuantum berkembang hingga mengungguli superkomputer klasik.
Solusinya: Geometri Seiring Waktu
Tim ETH Zurich, yang dipimpin oleh peneliti pascadoktoral Yann Hendrick Kiefer, mengatasi kerentanan ini dengan memanfaatkan fase geometris.
Tidak seperti gerbang “dinamis” konvensional, yang bergantung pada kontrol tepat atas tingkat energi, waktu, dan intensitas laser, gerbang geometris bergantung pada jalur yang diambil sistem kuantum melalui ruang keadaannya.
“Manipulasi fungsi gelombang ini umumnya menghasilkan fase pada fungsi gelombang, yang dapat berasal dari dinamik atau geometri,” jelas Kiefer. “Pendekatan geometris bekerja secara berbeda: alih-alih bergantung pada waktu atau kekuatan yang tepat, pendekatan ini terutama bergantung pada keseluruhan jalur yang diambil sistem dari awal hingga akhir.”
Dalam pengaturan ini, puluhan ribu atom kalium didinginkan hingga mendekati nol mutlak dan ditahan di tempatnya dengan memotong sinar laser. Ketika dua atom didekatkan cukup dekat sehingga gelombang kuantumnya tumpang tindih, keadaan gabungannya berubah hanya berdasarkan geometri geraknya. Karena perubahan ini tidak bergantung pada seberapa cepat atom bergerak atau seberapa kuat lasernya, operasi ini secara alami kuat terhadap gangguan eksperimental.
Presisi dan Skala yang Memecahkan Rekor
Implikasi praktis dari metode ini sangat signifikan. Tim peneliti mendemonstrasikan gerbang pertukaran dengan metrik kinerja berikut:
* Presisi: Lebih baik dari 99,91%.
* Kecepatan: Beroperasi dalam waktu kurang dari satu milidetik.
* Skala: Berhasil diterapkan pada 17.000 pasangan qubit secara bersamaan.
Meskipun sistem superkonduktor atau sistem ion terperangkap dapat mencapai kecepatan gerbang yang lebih cepat (sub-mikrodetik), sistem tersebut biasanya hanya beroperasi pada segelintir pasangan qubit dalam satu waktu. Metode ETH Zurich menawarkan kombinasi unik antara fidelitas tinggi dan paralelisme masif, yang penting untuk membangun prosesor kuantum skala besar.
Implikasinya bagi Masa Depan Komputasi Kuantum
Studi ini juga mengkonfirmasi penciptaan gerbang “setengah-swap”, yang penting untuk menjalankan algoritma kuantum yang kompleks. Berbeda dengan full swap, yang hanya memindahkan informasi, half-swap menukar sebagian status sekaligus menciptakan keterikatan —korelasi unik antara qubit yang memberi komputer kuantum kekuatan pemrosesan eksponensial.
Kemajuan ini menantang asumsi sebelumnya tentang sumber daya yang dibutuhkan untuk komputasi kuantum praktis. Secara historis, diyakini bahwa jutaan qubit diperlukan untuk menjalankan algoritme seperti algoritma Shor, yang dapat memfaktorkan bilangan besar dan memecahkan enkripsi modern. Namun, penelitian terbaru menunjukkan bahwa dengan gerbang fidelitas yang lebih tinggi seperti yang dikembangkan oleh ETH Zurich, masalah tersebut berpotensi diselesaikan hanya dengan 10,000 qubit.
Kesimpulan
Meskipun komputer kuantum yang praktis dan toleran terhadap kesalahan masih dalam proses, pendekatan geometris ini menandai langkah maju yang penting. Dengan memisahkan operasi kuantum dari kebisingan kontrol laser, para peneliti telah menciptakan jalur menuju sistem yang lebih stabil dan terukur, yang secara perlahan mewujudkan impian komputasi kuantum yang kuat menjadi kenyataan.
