MIT Rancang Qubit Baru, Operasi Kuantum Bisa Makin Ngebut

MIT mengembangkan desain qubit yang memisahkan fungsi penyimpanan informasi dan interaksi. Hasil simulasi menunjukkan teknologi ini berpotensi membuat operasi serta pengukuran kuantum lebih cepat tanpa mengorbankan ketahanan data.

Massachusetts Institute of Technology (MIT) mengembangkan desain baru untuk komponen penting komputer kuantum yang berpotensi meningkatkan kecepatan sekaligus keandalan pemrosesan. Berdasarkan hasil simulasi, desain yang disebut arm qubit tersebut mampu mempertahankan informasi kuantum dalam waktu relatif lama, sembari memungkinkan operasi dan pengukuran dilakukan lebih cepat.

Inovasi ini mencoba menjawab salah satu persoalan mendasar dalam pengembangan komputer kuantum. Di satu sisi, qubit harus mampu berinteraksi dengan qubit lain agar dapat menjalankan perhitungan. Di sisi lain, interaksi dengan komponen eksternal juga dapat membuat informasi kuantum lebih cepat hilang.

Dalam komputer kuantum, hilangnya kondisi kuantum tersebut dikenal sebagai dekoherensi (decoherence). Fenomena ini menjadi salah satu sumber kesalahan yang dapat mengganggu perhitungan, terutama ketika komputer kuantum harus menjalankan algoritma yang panjang dan kompleks.

Melalui desain barunya, para peneliti MIT mencoba memisahkan dua fungsi tersebut sehingga masing-masing dapat dioptimalkan untuk tugas yang berbeda.

Pisahkan Fungsi Penyimpanan dan Interaksi

Qubit merupakan unit dasar penyimpan informasi dalam komputer kuantum. Berbeda dari bit pada komputer konvensional yang hanya memiliki nilai 0 atau 1, qubit memanfaatkan sifat mekanika kuantum untuk membawa informasi dalam kondisi yang lebih kompleks.

Namun, sifat kuantum tersebut sangat rentan terhadap gangguan. Ketika qubit berinteraksi dengan lingkungan atau komponen lain dalam sistem, kondisi kuantumnya dapat terganggu dan informasi yang dibawanya berisiko hilang.

Karena itu, pengembangan komputer kuantum tidak hanya berfokus pada kemampuan qubit melakukan operasi, tetapi juga bagaimana mempertahankan informasi selama mungkin.

Desain MIT menawarkan pendekatan dengan membagi fungsi tersebut menjadi dua komponen yang disebut mode. Komponen pertama adalah data mode, yang bertugas menyimpan informasi kuantum. Komponen kedua adalah arm mode, yang berfungsi sebagai penghubung untuk berinteraksi dengan qubit dan perangkat lain.

Data mode menggunakan desain qubit yang dirancang untuk mempertahankan informasi kuantum dalam waktu lama. Sementara itu, arm mode dibuat agar dapat berinteraksi secara lebih kuat dengan komponen lain. Pemisahan ini memungkinkan peneliti mengoptimalkan masing-masing komponen berdasarkan tugasnya. Dengan kata lain, komponen penyimpan data tidak harus sekaligus menangani seluruh kebutuhan interaksi dalam sistem.

Para peneliti kemudian menghadapi tantangan lain, yakni bagaimana menghubungkan kedua komponen tersebut tanpa menimbulkan gangguan yang justru mempercepat hilangnya informasi.

Mengandalkan Quarton Coupler

Untuk mengatasi persoalan tersebut, tim MIT menggunakan perangkat yang sebelumnya mereka kembangkan, yakni quarton coupler. Perangkat ini memungkinkan dua komponen dalam sistem berinteraksi melalui hubungan nonlinier yang kuat. Dalam konteks komputasi kuantum, interaksi semacam itu penting karena memungkinkan qubit menjalankan operasi yang diperlukan dalam berbagai algoritma kuantum.

Masalahnya, interaksi yang kuat juga dapat menimbulkan pencampuran atau mixing yang tidak diinginkan antara dua mode. Jika tidak dikendalikan, kondisi tersebut dapat mengurangi kemampuan qubit dalam mempertahankan informasi.

Quarton coupler dirancang untuk menghasilkan interaksi kuat sekaligus mengurangi pencampuran tersebut. Dengan demikian, sistem diharapkan dapat menjalankan operasi dalam waktu lebih singkat sebelum informasi kuantum mengalami dekoherensi.

"Dengan mendedikasikan komponen 'arm' untuk fungsi coupling, kami dapat membuat desain yang dapat diperluas, tahan terhadap kesalahan manufaktur, dan tetap menggunakan quarton coupler untuk mencapai coupling nonlinier yang kuat," kata Jeremy Kline, mahasiswa pascasarjana MIT sekaligus peneliti utama dalam studi tersebut, seperti dikutip MIT News.

Dalam simulasi, desain arm qubit menunjukkan kombinasi antara waktu koherensi yang panjang, operasi yang lebih cepat, dan proses pembacaan atau readout yang juga lebih cepat.

Waktu koherensi merupakan periode ketika informasi kuantum pada qubit masih dapat dipertahankan dan digunakan. Semakin panjang periode tersebut, semakin besar kesempatan sistem untuk menyelesaikan perhitungan sebelum informasi rusak.

Sementara itu, readout merupakan proses membaca kondisi qubit. Informasi kuantum yang berada dalam qubit perlu diterjemahkan menjadi nilai yang dapat diproses oleh perangkat elektronik konvensional.

Berpotensi Percepat Koreksi Kesalahan

Keunggulan desain ini tidak hanya berkaitan dengan kecepatan operasi. Jika dapat diwujudkan dalam perangkat keras, arm qubit berpotensi membantu pengembangan koreksi kesalahan kuantum (quantum error correction).

Koreksi kesalahan merupakan teknologi penting dalam pengembangan komputer kuantum praktis. Sistem kuantum sangat rentan terhadap kesalahan, sehingga komputer masa depan membutuhkan mekanisme untuk mendeteksi dan memperbaiki kesalahan tersebut selama proses komputasi berlangsung.

Dengan waktu koherensi yang lebih panjang dan operasi yang lebih cepat, komputer kuantum berpotensi melakukan lebih banyak pekerjaan sebelum informasi yang tersimpan pada qubit mengalami kerusakan.

Hal ini penting untuk mencapai konsep komputer kuantum toleran terhadap kesalahan (fault-tolerant quantum computer). Mesin semacam itu diharapkan mampu menjalankan perhitungan panjang dan kompleks secara konsisten tanpa kesalahan kecil menghentikan seluruh proses.

"Tujuannya adalah membangun komputer kuantum yang toleran terhadap kesalahan, sehingga kita dapat memperbaiki kesalahan saat terjadi. Dengan begitu, kita bisa menjalankan perhitungan panjang dan benar-benar melakukan sesuatu yang berguna dengan komputer kuantum," kata Kevin O'Brien, profesor madya teknik elektro dan ilmu komputer MIT sekaligus peneliti senior dalam studi tersebut.

Masih Sebatas Hasil Simulasi

Meski hasil awalnya menjanjikan, MIT belum dapat memastikan bahwa seluruh keunggulan arm qubit akan muncul pada perangkat nyata.

Penelitian yang dipublikasikan di jurnal Physical Review Applied tersebut masih berada pada tahap pemodelan dan simulasi. Tim peneliti belum membuat arm qubit dalam bentuk perangkat keras untuk menguji kinerjanya secara langsung.

Tahap berikutnya adalah memproduksi qubit tersebut, menguji perilakunya, serta melihat bagaimana desainnya dapat diintegrasikan ke dalam sistem komputer kuantum yang sebenarnya. O'Brien mengatakan hasil simulasi memberikan harapan, tetapi masih ada kemungkinan terdapat faktor yang belum diperhitungkan dalam model atau desain.

"Pekerjaan ini membuat saya penasaran karena simulasi kami sangat menjanjikan. Selanjutnya, kami perlu melihat apakah kami dapat membuatnya dan menentukan apakah ada sesuatu yang terlewat dalam pemodelan atau desain," ujarnya.

Jika berhasil dibuat dan menunjukkan kinerja seperti yang diprediksi, arm qubit dapat menjadi salah satu komponen penting untuk pengembangan komputer kuantum dengan kemampuan koreksi kesalahan. Penelitian ini melibatkan O'Brien dan Kline, serta Alec Yen yang meraih gelar doktor MIT di bidang teknik elektro dan ilmu komputer, dan mahasiswa sarjana MIT Stanley Chen.

Pendanaan penelitian antara lain berasal dari Army Research Office, Air Force Office of Scientific Research, Doc Bedard Fellowship dari MIT Center for Quantum Engineering, serta Laboratory for Physical Sciences.

Dengan demikian, desain arm qubit MIT menawarkan pendekatan menarik untuk mengatasi dilema antara kecepatan interaksi dan ketahanan informasi pada komputer kuantum. Namun, pembuktian sebenarnya masih menunggu tahap fabrikasi dan pengujian perangkat keras. Jika hasil simulasi dapat diterjemahkan ke dalam teknologi nyata, desain ini berpotensi menjadi salah satu langkah menuju komputer kuantum yang lebih cepat, stabil, dan mampu menjalankan perhitungan kompleks dalam waktu lebih lama.