Terobosan HRL, Chip Kuantum Kini Bisa Koreksi Error Sendiri

HRL Laboratories memperkenalkan prosesor kuantum berbasis silikon yang mampu menjalankan koreksi kesalahan secara mandiri. Terobosan ini menjadi langkah penting untuk mengatasi tantangan pengendalian qubit dalam pengembangan komputer kuantum berskala besar.

HRL Laboratories mencatatkan perkembangan baru dalam teknologi komputasi kuantum. Perusahaan riset dan teknologi asal Amerika Serikat tersebut memperkenalkan sebuah prosesor kuantum silikon yang mampu menjalankan sistem kontrol sekaligus koreksi kesalahan tanpa bergantung pada perangkat elektronik di luar lemari pendingin secara real-time.

Penelitian mengenai teknologi tersebut dipublikasikan dalam jurnal Nature melalui makalah berjudul “A digitally controlled silicon quantum processing unit.” Salah satu poin penting dari penelitian ini adalah kemampuan sistem untuk menjalankan koreksi kesalahan kuantum secara mandiri di lingkungan bersuhu sangat rendah.

Terobosan tersebut dinilai penting karena komputer kuantum masa depan tidak cukup hanya memiliki qubit dalam jumlah besar. Sistem juga membutuhkan mekanisme kontrol yang mampu mengoperasikan setiap qubit secara cepat, presisi, dan efisien.

Tantangan Besar Mengendalikan Qubit

Komputer kuantum bekerja menggunakan qubit sebagai unit dasar pemrosesan informasi. Berbeda dengan bit pada komputer konvensional yang hanya memiliki nilai 0 atau 1, qubit memanfaatkan fenomena mekanika kuantum sehingga dapat berada dalam kombinasi keadaan tertentu.

Namun, qubit sangat sensitif terhadap gangguan dari lingkungan. Kesalahan kecil dalam proses kontrol dapat menyebabkan informasi kuantum terganggu atau bahkan hilang. Karena itu, sistem komputer kuantum membutuhkan perangkat kontrol yang sangat presisi sekaligus mekanisme koreksi kesalahan.

Masalahnya, semakin banyak qubit yang digunakan, semakin besar pula jumlah sinyal kontrol yang harus dikirimkan. Sistem komputer kuantum konvensional dapat membutuhkan rak elektronik eksternal, kabel dalam jumlah besar, serta berbagai perangkat untuk menghasilkan dan mengatur sinyal tersebut.

Jika jumlah qubit terus ditingkatkan menjadi ribuan bahkan jutaan, pendekatan seperti ini berpotensi menciptakan persoalan baru berupa kompleksitas kabel, konsumsi daya, ruang perangkat, dan pengelolaan panas.

HRL mencoba mengatasi persoalan tersebut dengan menempatkan sistem kontrol lebih dekat dengan qubit.

Chip Kontrol Beroperasi di Suhu Ekstrem

HRL mengembangkan chip pengontrol berbasis CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) yang dapat beroperasi pada suhu sekitar -450 derajat Fahrenheit atau sekitar -268 derajat Celsius.

Chip tersebut ditempatkan di dalam cryostat, yakni perangkat pendingin khusus yang digunakan untuk menjaga komponen komputer kuantum pada suhu sangat rendah, mendekati nol mutlak.

Dalam demonstrasinya, pengontrol tersebut menangani seluruh sinyal yang diperlukan untuk mengoperasikan perangkat berisi 18 qubit. Yang menarik, sistem tidak hanya mengendalikan qubit, tetapi juga mampu menjalankan proses koreksi kesalahan secara mandiri.

Artinya, proses tersebut tidak membutuhkan instruksi secara langsung dari elektronik yang berada pada suhu ruangan setiap saat.

Pendekatan ini dapat mengurangi ketergantungan terhadap perangkat kontrol eksternal dan berpotensi menyederhanakan arsitektur komputer kuantum ketika jumlah qubit ditingkatkan.

Namun, menempatkan elektronik di dekat qubit juga menghadirkan tantangan. Perangkat elektronik menghasilkan panas, sementara qubit harus dipertahankan pada suhu yang sangat rendah agar keadaan kuantumnya tetap stabil.

Kabel Superkonduktor Jadi Bagian Penting

Untuk mengatasi persoalan tersebut, HRL menggunakan kabel pita superkonduktor berkepadatan tinggi (high-density superconducting ribbon cable).

Kabel ini memiliki tugas penting karena harus membawa ratusan sinyal kontrol dari chip menuju qubit yang berada pada suhu lebih rendah. Pada saat yang sama, perpindahan panas harus ditekan agar tidak mengganggu kondisi qubit.

Dengan pendekatan tersebut, HRL dapat menempatkan sistem kontrol lebih dekat dengan qubit tanpa membawa panas dalam jumlah besar ke area tempat qubit beroperasi.

Konsep ini menjadi bagian penting dari upaya membangun komputer kuantum yang lebih mudah dikembangkan. Jika jumlah qubit meningkat secara signifikan, sistem kontrol tidak boleh ikut menjadi semakin rumit hingga akhirnya menghambat pengembangan komputer kuantum itu sendiri.

Tingkat Kesalahan Kontrol Turun 10 Kali Lipat

Selain menunjukkan sistem kontrol yang dapat bekerja dalam kondisi kriogenik, HRL juga melaporkan peningkatan performa perangkat. Sistem yang dikembangkan perusahaan tersebut memiliki tingkat kesalahan kontrol sekitar 10 kali lebih rendah dibandingkan demonstrasi sebelumnya yang menggunakan jenis qubit serupa.

Peningkatan tersebut turut didukung oleh proses fabrikasi qubit baru. Proses ini dirancang untuk mengurangi noise atau gangguan pada perangkat sehingga qubit dapat bekerja dengan lebih stabil dan andal.

Kecepatan operasi juga menjadi salah satu keunggulan yang ditunjukkan dalam penelitian tersebut. Setiap operasi dapat dilakukan dalam waktu kurang dari satu mikrodetik.

Kombinasi tingkat kesalahan yang lebih rendah dan waktu operasi yang cepat menjadi faktor penting karena komputer kuantum harus menjalankan operasi dalam jumlah sangat besar untuk menyelesaikan persoalan kompleks.

Tambah Qubit, Kesalahan Bisa Berkurang

Salah satu hasil menarik dari eksperimen HRL berkaitan dengan proses koreksi kesalahan. Tim peneliti menggunakan repetition code, sebuah metode yang memanfaatkan beberapa qubit untuk membantu mendeteksi dan mengurangi kesalahan pada informasi kuantum.

Dalam pengujian, ketika jumlah qubit yang digunakan dalam kode koreksi ditambah, tingkat kesalahan turun sekitar lima kali lipat.

Hasil ini menunjukkan adanya efek error suppression atau penekanan kesalahan. Prinsip tersebut sangat penting dalam pengembangan komputer kuantum karena qubit pada dasarnya sangat rentan terhadap gangguan.

Komputer kuantum berskala besar nantinya diperkirakan membutuhkan sistem koreksi kesalahan yang mampu menjaga informasi kuantum tetap akurat meskipun terjadi gangguan selama proses komputasi.

Hasil eksperimen HRL juga sesuai dengan model yang sebelumnya dibuat oleh tim peneliti. Kesesuaian tersebut memberikan indikasi bahwa pendekatan yang mereka gunakan berpotensi dikembangkan lebih lanjut ketika jumlah qubit diperbesar.

Yang menjadi perhatian khusus adalah kemampuan sistem menjalankan koreksi kesalahan sepenuhnya melalui pengontrol kriogenik tanpa keterlibatan elektronik bersuhu ruangan secara real-time. HRL menyebut pencapaian tersebut sebagai yang pertama untuk pendekatan jenis ini.

Masa Depan Komputer Kuantum Tidak Hanya Bergantung pada Qubit

Penelitian HRL memperlihatkan bahwa membangun komputer kuantum bukan sekadar persoalan meningkatkan jumlah qubit. Sistem pendukung yang mengontrol qubit juga harus dirancang agar mampu mengikuti skala perkembangan tersebut.

Jika komputer kuantum masa depan memiliki jutaan qubit, penggunaan perangkat elektronik eksternal dan kabel dalam jumlah sangat besar akan menjadi tantangan tersendiri. Karena itu, kontrol elektronik yang dapat ditempatkan dekat dengan qubit menjadi salah satu pendekatan yang menarik untuk mengatasi persoalan tersebut.

HRL juga melihat aspek manufaktur sebagai bagian penting dari pengembangan teknologi kuantum.

Rob Vasquez, Presiden sekaligus CEO HRL Laboratories, mengatakan teknologi yang membawa komputer konvensional menjadi produk massal bukan hanya teknologi dengan performa tertinggi. Teknologi tersebut juga harus dapat diproduksi secara murah dan dalam skala besar.

Menurut HRL, prinsip serupa kemungkinan akan berlaku pada komputer kuantum. Perusahaan tersebut ingin memanfaatkan lini produksi mikrochip standar untuk membuat sistem komputasi kuantum. Target akhirnya adalah membangun komputer kuantum yang seluruh sistemnya dapat ditempatkan dalam satu lemari pendingin.

Jika pendekatan tersebut berhasil dikembangkan ke skala yang lebih besar, biaya produksi dan kompleksitas infrastruktur komputer kuantum berpotensi ditekan. Hal ini dapat membuka peluang penggunaan teknologi kuantum untuk lebih banyak kebutuhan, mulai dari penelitian ilmiah hingga berbagai persoalan bisnis.

Terobosan HRL dengan demikian bukan hanya tentang membuat qubit bekerja lebih baik. Perusahaan tersebut mencoba membangun arsitektur komputer kuantum yang lebih terintegrasi, mulai dari chip kontrol, kabel superkonduktor, qubit hingga sistem koreksi kesalahan.

Teknologi ini memang masih berada pada tahap pengembangan dan baru diuji pada sistem dengan 18 qubit. Namun, kemampuan menjalankan kontrol dan koreksi kesalahan secara mandiri di lingkungan kriogenik memberikan gambaran mengenai salah satu jalur yang dapat digunakan untuk membangun komputer kuantum berskala besar di masa depan.