IBM Buktikan Quantum Advantage Bersama University of Chicago

IBM mengumumkan tonggak baru dalam pengembangan komputer kuantum. Para peneliti perusahaan tersebut bersama tim dari University of Chicago mengklaim berhasil menjalankan perhitungan kuantum yang secara praktis terlalu sulit untuk diselesaikan menggunakan komputer klasik.

Eksperimen tersebut diselesaikan dalam waktu sekitar 15 menit dengan memanfaatkan 70 qubit logis. Menariknya, penelitian ini tidak hanya berfokus pada kemampuan komputer kuantum menyelesaikan persoalan yang sulit, tetapi juga pada cara membuktikan bahwa hasil perhitungannya dapat dipercaya.

Pencapaian tersebut menjadi penting karena salah satu tantangan terbesar dalam komputasi kuantum bukan sekadar membuat komputer bekerja lebih cepat. Peneliti juga harus memastikan bahwa hasil yang diberikan benar dan tidak sekadar muncul akibat kesalahan pada sistem.

Dalam eksperimen terbaru ini, IBM dan University of Chicago menggunakan strategi Quantum Error Correction yang dirancang untuk menjaga informasi kuantum tetap stabil selama proses perhitungan.

Para peneliti mengungkapkan hasil eksperimen tersebut dalam makalah berjudul "Sampling hard circuits with verifiably high fidelity". Penelitian itu menjelaskan pendekatan baru untuk menjalankan sirkuit kuantum yang kompleks sekaligus memungkinkan tingkat keandalannya diperiksa.

Perhitungan yang Sulit Ditiru Komputer Klasik

Komputer kuantum bekerja dengan prinsip yang berbeda dari komputer klasik. Jika komputer konvensional menggunakan bit yang memiliki nilai 0 atau 1, komputer kuantum memanfaatkan qubit yang dapat berada dalam kombinasi keadaan kuantum.

Kemampuan tersebut memungkinkan komputer kuantum melakukan jenis perhitungan tertentu dengan cara yang sangat berbeda dari mesin klasik.

Dalam eksperimen IBM, persoalan yang dikerjakan dirancang sedemikian rupa sehingga menjadi sangat sulit bagi komputer klasik untuk melakukan simulasi secara efisien.

Menurut para peneliti, metode komputasi klasik terkemuka akan membutuhkan waktu yang tidak praktis untuk mengerjakan tugas yang sama. Sementara itu, komputer kuantum IBM mampu menyelesaikan perhitungan tersebut dalam waktu sekitar 15 menit.

Kondisi ketika komputer kuantum mampu melakukan tugas yang secara praktis tidak dapat dilakukan komputer klasik inilah yang berkaitan dengan konsep quantum advantage atau keunggulan kuantum.

Namun, ada persoalan lain yang tidak kalah penting: bagaimana memastikan jawaban dari komputer kuantum memang benar?

Tantangan Membuktikan Jawaban Komputer Kuantum

Selama ini, salah satu metode yang banyak digunakan untuk menguji kemampuan komputer kuantum adalah random circuit sampling (RCS).

Secara sederhana, RCS meminta komputer kuantum menjalankan sirkuit yang menghasilkan pola atau keluaran sangat kompleks. Tingkat kerumitannya dapat dibuat sedemikian tinggi sehingga komputer klasik kesulitan untuk mereproduksi hasil tersebut.

Metode ini berguna untuk menguji sejauh mana komputer klasik mampu mensimulasikan komputer kuantum.

Namun, metode tersebut juga menghadirkan masalah yang cukup rumit. Ketika suatu perhitungan terlalu sulit untuk ditiru komputer klasik, proses untuk memeriksa apakah komputer kuantum menghasilkan jawaban yang benar juga menjadi semakin sulit.

Dengan kata lain, peneliti menghadapi paradoks: semakin sulit masalahnya untuk komputer klasik, semakin sulit pula menggunakan komputer klasik untuk memeriksa hasil komputer kuantum.

Pada tingkat tertentu, verifikasi hasil bahkan dapat membutuhkan sumber daya komputasi yang tidak praktis. Untuk mengatasi persoalan tersebut, tim IBM dan University of Chicago mengembangkan pendekatan yang lebih terstruktur sebagai alternatif dari RCS.

Pendekatan ini tetap mempertahankan karakteristik masalah yang sulit disimulasikan oleh komputer klasik. Namun, struktur tambahan dalam sirkuit memungkinkan peneliti mendeteksi dan memperkirakan kesalahan selama proses komputasi.

Dengan demikian, peneliti tidak hanya mendapatkan hasil dari komputer kuantum, tetapi juga memiliki cara untuk menilai seberapa dapat dipercaya hasil tersebut.

Error Correction Jadi Kunci

Salah satu bagian penting dalam eksperimen ini adalah penggunaan koreksi kesalahan kuantum (quantum error correction). Teknologi tersebut sangat penting karena qubit sangat rentan terhadap gangguan dari lingkungan. Gangguan atau noise dapat menyebabkan informasi kuantum berubah dan membuat hasil perhitungan menjadi tidak akurat.

Untuk mengurangi dampak tersebut, informasi kuantum dapat dikodekan ke dalam sejumlah qubit fisik sehingga membentuk qubit logis. Qubit logis dapat dipahami sebagai unit informasi kuantum yang dirancang agar lebih tahan terhadap kesalahan dibandingkan satu qubit fisik biasa.

Dalam eksperimen ini, para peneliti mengoperasikan 70 qubit logis. Skala tersebut disebut sebagai salah satu demonstrasi komputasi kuantum logis terbesar yang dilaporkan sejauh ini. Tim juga menjalankan 2.415 operasi logis dua-qubit dan 468 operasi T gate logis. Kedua jenis operasi tersebut menjadi bagian penting dalam menunjukkan tingkat kompleksitas sirkuit kuantum yang digunakan.

Yang menarik, pendekatan pengodean yang diterapkan menghasilkan tingkat kesalahan logis efektif sekitar 10 kali lebih rendah dibandingkan tingkat kesalahan pada qubit fisik yang mendasarinya. Artinya, meskipun sistem menjalankan banyak operasi kuantum, informasi yang digunakan dalam perhitungan dapat dipertahankan dengan tingkat keandalan yang lebih baik.

Fidelity Tinggi Tingkatkan Kepercayaan

Dalam eksperimen kuantum, salah satu istilah penting yang digunakan peneliti adalah fidelity. Secara sederhana, fidelity menggambarkan seberapa dekat keadaan kuantum yang dihasilkan sistem dengan keadaan yang seharusnya dihasilkan.

Semakin tinggi fidelity, semakin dekat hasil eksperimen dengan hasil yang diharapkan. Dalam penelitian ini, peningkatan fidelity menjadi penting karena komputer kuantum harus menjalankan banyak operasi dalam satu rangkaian perhitungan. Setiap operasi memiliki potensi menghasilkan kesalahan.

Jika kesalahan terus terakumulasi, hasil akhirnya bisa menjadi tidak dapat digunakan. Karena itu, kemampuan menjaga tingkat kesalahan tetap rendah menjadi salah satu syarat penting sebelum komputer kuantum dapat dikembangkan untuk menyelesaikan persoalan yang lebih kompleks.

Bill Fefferman, Associate Professor di University of Chicago, mengatakan verifikasi masih menjadi salah satu tantangan terbesar dalam membuktikan keunggulan kuantum secara eksperimental. Menurutnya, eksperimen tersebut mengembangkan teknik untuk mengukur dan memahami fidelity dari keadaan kuantum yang kompleks ketika sistem menghadapi noise.

Pendekatan tersebut diharapkan dapat meningkatkan keyakinan bahwa komputer kuantum memang menyelesaikan persoalan komputasi yang sulit, bukan sekadar menghasilkan keluaran yang terlihat meyakinkan.

Sementara itu, Soumik Ghosh, mahasiswa doktoral dalam kelompok penelitian Fefferman, mengatakan kemajuan dalam teknologi verifikasi tidak hanya berguna untuk memperkuat validasi eksperimen. Menurutnya, perkembangan tersebut juga berpotensi membantu membuka aplikasi praktis bagi komputer kuantum generasi berikutnya.

IBM Sebut Era Keunggulan Kuantum Dimulai

Jay Gambetta, Director of IBM Research sekaligus IBM Fellow, menyebut demonstrasi tersebut sebagai tonggak penting dalam perkembangan komputasi kuantum.

"Kita sekarang benar-benar berada di era keunggulan kuantum," kata Gambetta.

Ia mengatakan IBM telah menunjukkan komputasi kuantum yang berada di luar jangkauan praktis komputer klasik sekaligus memberikan dasar statistik untuk menilai seberapa akurat komputasi tersebut dijalankan.

Bagi IBM, kemampuan tersebut penting karena pengembangan komputer kuantum tidak cukup hanya mengejar jumlah qubit yang semakin banyak. Jumlah qubit memang menjadi salah satu ukuran penting. Namun, qubit harus mampu beroperasi dengan tingkat kesalahan yang rendah dan dapat digunakan untuk menjalankan rangkaian operasi kompleks secara konsisten.

Tanpa Quantum Error Correction yang memadai, peningkatan jumlah qubit justru dapat membuat sistem semakin sulit dikendalikan.

Bukan Berarti Komputer Kuantum Menggantikan PC

Meski pencapaian IBM terdengar besar, keunggulan kuantum tidak berarti komputer kuantum akan segera menggantikan komputer klasik seperti PC, laptop, atau server. Komputer kuantum dirancang untuk jenis persoalan tertentu yang sangat sulit atau tidak efisien ditangani komputer klasik.

Untuk berbagai aktivitas sehari-hari seperti menjalankan aplikasi kantor, menjelajah internet, mengedit foto, atau menjalankan sebagian besar perangkat lunak, komputer klasik masih menjadi pilihan utama. Potensi komputer kuantum lebih terlihat pada persoalan khusus yang membutuhkan kemampuan komputasi sangat besar, termasuk simulasi sistem kuantum, optimasi tertentu, ilmu material, dan berbagai bidang lain yang masih terus diteliti.

Karena itu, pencapaian IBM lebih tepat dipandang sebagai langkah menuju era ketika komputer kuantum dapat menangani masalah yang semakin kompleks, bukan sebagai tanda bahwa komputer klasik akan segera ditinggalkan.

Jalan Masih Panjang Menuju Komputer Kuantum Praktis

Eksperimen IBM dan University of Chicago menunjukkan dua tantangan utama dalam pengembangan komputer kuantum dapat ditangani secara bersamaan: mengurangi kesalahan dan meningkatkan kemampuan verifikasi. Koreksi kesalahan memungkinkan informasi kuantum bertahan lebih baik selama proses komputasi. Sementara itu, metode verifikasi membantu peneliti memastikan hasil yang diperoleh memang dapat dipercaya.

Keduanya akan menjadi semakin penting ketika jumlah qubit dan kompleksitas sirkuit kuantum terus ditingkatkan.

Jika komputer kuantum nantinya mampu mengoperasikan lebih banyak qubit logis dengan tingkat kesalahan yang semakin rendah, teknologi tersebut berpotensi menyelesaikan persoalan yang selama ini berada di luar kemampuan praktis komputer klasik.

Dengan demikian, eksperimen yang diselesaikan dalam sekitar 15 menit tersebut bukan semata-mata soal kecepatan. Yang lebih penting adalah demonstrasi bahwa komputer kuantum dapat menjalankan perhitungan kompleks dengan tingkat kesalahan yang lebih rendah sekaligus menyediakan cara untuk menilai keandalan hasilnya.

IBM dan University of Chicago telah menjadikan hasil eksperimen, termasuk sirkuit yang digunakan, tersedia untuk publik melalui Quantum Advantage Tracker. Keterbukaan tersebut memungkinkan komunitas peneliti mempelajari dan mengevaluasi lebih lanjut pendekatan yang digunakan.

Bagi industri komputasi kuantum, langkah tersebut menjadi bagian dari perjalanan panjang menuju mesin kuantum yang lebih besar, lebih stabil, dan benar-benar berguna untuk menyelesaikan persoalan dunia nyata. Dengan kata lain, 15 menit mungkin menjadi angka yang paling menarik perhatian, tetapi kemampuan mengendalikan kesalahan dan membuktikan kebenaran hasil justru menjadi bagian terpenting dari pencapaian ini.