Peneliti Pakai IBM Quantum Pecahkan Misteri Fisika Partikel

Perkembangan komputasi kuantum terus membuka peluang baru bagi dunia sains. Jika selama ini komputer kuantum lebih banyak dibahas sebagai teknologi masa depan untuk kecerdasan buatan, kriptografi, atau optimasi industri, kini teknologi tersebut mulai menunjukkan kemampuannya dalam menjawab pertanyaan-pertanyaan mendasar mengenai bagaimana alam semesta bekerja.

Salah satu pencapaian terbaru datang dari seorang peneliti di Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Amerika Serikat, yang berhasil memanfaatkan perangkat keras komputer kuantum IBM untuk mensimulasikan proses hadronisasi (hadronization), yaitu salah satu proses paling penting dalam fisika partikel yang selama puluhan tahun sulit dipelajari secara langsung.

Penelitian tersebut dilakukan dengan mengakses komputer kuantum IBM melalui Quantum Computer User Program (QCUP), sebuah program yang dikelola oleh Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) di bawah Office of Science, Departemen Energi Amerika Serikat (DOE). Meskipun simulasi yang dilakukan masih menggunakan model mekanika kuantum yang disederhanakan, hasilnya menjadi tonggak penting menuju pemanfaatan komputer kuantum untuk menyelesaikan persoalan ilmiah yang berada di luar kemampuan superkomputer klasik.

Mengapa Hadronisasi Sangat Penting?

Untuk memahami arti penting penelitian ini, terlebih dahulu perlu dipahami apa yang dimaksud dengan hadronisasi.

Semua materi yang ada di alam semesta tersusun dari atom. Di dalam inti atom terdapat proton dan neutron, sedangkan proton maupun neutron sebenarnya bukanlah partikel paling dasar. Keduanya tersusun atas partikel yang lebih kecil lagi, yaitu quark, yang saling terikat oleh partikel pembawa gaya yang disebut gluon.

Proses ketika beberapa quark bergabung membentuk proton, neutron, atau partikel lain yang dikenal sebagai hadron disebut hadronisasi. Meski terdengar sederhana, proses ini berlangsung dalam skala yang sangat kecil dan sangat cepat sehingga hampir mustahil diamati secara langsung melalui eksperimen laboratorium.

Padahal, memahami hadronisasi berarti memahami bagaimana materi terbentuk sejak awal alam semesta hingga menjadi seluruh benda yang kita lihat saat ini, mulai dari bintang, planet, hingga tubuh manusia.

Eksperimen Belum Mampu Mengungkap Seluruh Proses

Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah menggunakan Large Hadron Collider (LHC) milik CERN untuk mempelajari perilaku partikel-partikel dasar.

Di fasilitas tersebut, proton dipercepat hingga mendekati kecepatan cahaya sebelum ditabrakkan satu sama lain. Tabrakan berenergi sangat tinggi menghasilkan berbagai quark dan antiquark yang kemudian dipelajari menggunakan detektor berteknologi tinggi.

Namun terdapat satu kendala besar. Quark tidak pernah berada dalam keadaan bebas dalam waktu lama. Begitu terbentuk, partikel tersebut hampir seketika mengalami hadronisasi dan membentuk partikel baru.

Akibatnya, ilmuwan hanya dapat mengamati hasil akhirnya, bukan keseluruhan proses yang terjadi di antaranya. Kondisi inilah yang membuat simulasi komputer menjadi sangat penting. Dengan simulasi, para peneliti dapat mengisi celah informasi yang tidak dapat diperoleh melalui eksperimen secara langsung.

Kendala Besar bagi Superkomputer Klasik

Secara teori, fisikawan sebenarnya telah memiliki kerangka matematika yang menjelaskan bagaimana hadronisasi berlangsung. Teori tersebut dikenal sebagai Quantum Chromodynamics (QCD), yaitu cabang fisika yang menjelaskan bagaimana gaya nuklir kuat mengikat quark dan gluon.

Namun, teori tersebut sangat kompleks.

Setiap quark dapat berinteraksi dengan banyak partikel lain secara bersamaan melalui berbagai kemungkinan keadaan kuantum. Komputer klasik harus menghitung seluruh kemungkinan tersebut satu per satu. Masalahnya, jumlah kemungkinan meningkat secara eksponensial setiap kali ditambahkan satu partikel atau satu langkah waktu dalam simulasi.

Akibatnya, kebutuhan memori dan daya komputasi meningkat sangat cepat hingga melampaui kemampuan superkomputer paling canggih sekalipun. Inilah alasan mengapa simulasi penuh Quantum Chromodynamics masih menjadi tantangan besar dalam dunia komputasi ilmiah.

Mengapa Komputer Kuantum Menjadi Solusi?

Komputer kuantum dirancang berdasarkan prinsip-prinsip mekanika kuantum. Jika komputer konvensional menggunakan bit yang hanya dapat bernilai 0 atau 1, komputer kuantum menggunakan qubit (quantum bit). Berbeda dengan bit biasa, qubit dapat berada dalam kondisi superposisi, yaitu kombinasi antara nilai 0 dan 1 secara bersamaan.

Selain itu, qubit juga dapat saling berhubungan melalui fenomena entanglement, yaitu keterkaitan kuantum yang memungkinkan banyak qubit bekerja secara kolektif. Sifat tersebut membuat komputer kuantum jauh lebih sesuai untuk mensimulasikan perilaku partikel subatom yang memang mengikuti hukum mekanika kuantum.

Dengan kata lain, komputer kuantum tidak perlu menyederhanakan perilaku partikel seperti yang dilakukan komputer klasik karena cara kerjanya memang menyerupai sistem kuantum itu sendiri.

Anthony Ciavarella, ilmuwan Berkeley Lab yang memimpin penelitian ini, menjelaskan bahwa sejak awal pengembangan komputer kuantum, salah satu tujuan utamanya memang untuk menyelesaikan simulasi sistem fisika yang sangat kompleks. Menurutnya, berbagai fenomena seperti entanglement dan korelasi kuantum hampir tidak mungkin direpresentasikan secara efisien menggunakan komputer konvensional.

Memanfaatkan Prosesor Kuantum IBM Heron

Dalam penelitian tersebut, Ciavarella memperoleh akses ke komputer kuantum IBM melalui layanan cloud QCUP. Ia menggunakan prosesor Heron, salah satu prosesor kuantum terbaru milik IBM yang memiliki 156 qubit.

Dari jumlah tersebut, penelitian ini memanfaatkan 104 qubit untuk menjalankan simulasi. Meskipun komputer kuantum saat ini masih menghadapi tantangan berupa jumlah qubit yang terbatas dan tingkat kesalahan (error rate) yang relatif tinggi, perangkat tersebut sudah cukup mampu menjadi laboratorium digital untuk menguji berbagai teknik simulasi baru.

Tiga Pendekatan untuk Menyederhanakan Simulasi

Karena teknologi komputer kuantum masih berada pada tahap awal, penelitian ini menggunakan beberapa pendekatan penyederhanaan agar simulasi dapat dijalankan pada perangkat keras yang tersedia.

1. Menggunakan Heavy Quark
   Pendekatan pertama adalah menggunakan heavy quark limit. Quark yang memiliki massa lebih besar lebih mudah disimulasikan karena penyebarannya lebih kecil dibandingkan quark ringan. Dalam simulasi ini, peneliti mempelajari fenomena string breaking, yaitu ketika dua quark yang saling menjauh meregangkan "tali" gluon yang menghubungkannya.

   Semakin jauh kedua quark tersebut bergerak, semakin besar energi yang tersimpan pada tali gluon. Ketika energi tersebut mencapai batas tertentu, tali akan "putus" dan menghasilkan pasangan quark-antiquark baru yang kemudian membentuk hadron.

   Setelah memperoleh hasil dari simulasi quark berat, peneliti kemudian melakukan ekstrapolasi untuk memperkirakan perilaku quark ringan yang lebih sulit dihitung secara langsung.

2. Menyiapkan Vakum Kuantum
   Pendekatan kedua menggunakan metode yang disebut Scalable Circuit Concurrent Variational Quantum Solver, teknik yang sebelumnya dikembangkan Ciavarella saat menempuh pendidikan doktoral di University of Washington.

   Metode ini bertujuan membawa seluruh qubit menuju keadaan vakum kuantum, yaitu kondisi energi paling rendah dan paling stabil sebelum simulasi dimulai. Proses optimasi dilakukan secara bertahap.

   Peneliti terlebih dahulu mengoptimalkan sirkuit pada sistem kecil, misalnya menggunakan sekitar 10 hingga 12 qubit. Setelah memperoleh parameter terbaik, hasil tersebut diperluas untuk digunakan pada sistem yang jauh lebih besar dengan jumlah qubit ratusan.Strategi ini membuat proses optimasi menjadi jauh lebih efisien dibandingkan melakukan pencarian parameter secara langsung pada sistem besar.

3. Membatasi Gerakan Partikel Menjadi Satu Dimensi
   Penyederhanaan ketiga dilakukan dengan membuat partikel hanya dapat bergerak ke kiri dan ke kanan. Model satu dimensi ini memang belum sepenuhnya menggambarkan kondisi nyata di alam semesta yang memiliki tiga dimensi ruang.

   Namun pendekatan tersebut memungkinkan peneliti menguji kemampuan komputer kuantum saat ini sekaligus mengembangkan algoritma yang nantinya dapat diperluas ke simulasi dua maupun tiga dimensi ketika perangkat keras kuantum semakin canggih.

Hasilnya Selaras dengan Superkomputer Klasik
Salah satu pencapaian terpenting dari penelitian ini adalah keberhasilannya menghasilkan simulasi yang konsisten dengan hasil yang sebelumnya diperoleh menggunakan superkomputer klasik.

Artinya, komputer kuantum mampu mereproduksi fenomena fisika yang memang telah diketahui secara ilmiah. Peneliti juga kembali mengamati fenomena menarik pada bagian tengah tali gluon sebelum mengalami string breaking.

Bagian tersebut tampak menunjukkan perilaku menyerupai gas panas sebelum akhirnya terpisah. Fenomena ini sebelumnya juga muncul pada berbagai simulasi menggunakan komputer klasik.

Apabila pola tersebut terus ditemukan pada berbagai model dan simulasi yang berbeda, maka besar kemungkinan fenomena tersebut memang merupakan karakteristik mendasar dari Quantum Chromodynamics, bukan sekadar artefak dari metode simulasi.

Temuan seperti ini sangat penting karena dapat membantu para ilmuwan memahami mekanisme sebenarnya yang terjadi saat partikel-partikel dasar membentuk materi.

Fondasi bagi Era Baru Simulasi Fisika

Walaupun penelitian ini masih menggunakan model yang disederhanakan, nilai ilmiahnya sangat besar. Alih-alih hanya mengejar hasil akhir, penelitian ini berhasil menunjukkan bahwa komputer kuantum komersial yang tersedia saat ini sudah dapat dimanfaatkan untuk menyelesaikan sebagian persoalan fisika yang sebelumnya hanya dapat dipelajari menggunakan pendekatan teoritis.

Ke depan, ketika jumlah qubit meningkat, tingkat kesalahan semakin kecil, dan algoritma kuantum semakin matang, simulasi yang saat ini masih sederhana diperkirakan dapat berkembang menjadi simulasi Quantum Chromodynamics tiga dimensi dengan jutaan interaksi partikel.

Kemampuan tersebut akan membuka peluang baru untuk memahami berbagai fenomena fundamental, mulai dari pembentukan proton dan neutron, perilaku materi pada suhu ekstrem, hingga kondisi alam semesta beberapa saat setelah Big Bang.

Menuju Masa Depan Komputasi Kuantum

Program QCUP yang digunakan dalam penelitian ini merupakan salah satu contoh bagaimana kolaborasi antara lembaga penelitian, pemerintah, dan industri dapat mempercepat perkembangan komputasi kuantum.

Melalui akses terhadap perangkat keras kuantum terbaru, para ilmuwan tidak lagi hanya mengembangkan teori, tetapi juga dapat mengujinya secara langsung menggunakan komputer kuantum nyata.

Penelitian Anthony Ciavarella menunjukkan bahwa meskipun komputer kuantum saat ini masih berada pada tahap awal pengembangan, teknologi tersebut telah mulai membuktikan potensinya dalam menyelesaikan persoalan ilmiah yang selama ini berada di luar jangkauan komputer klasik.

Dalam beberapa tahun ke depan, kemajuan perangkat keras dan algoritma kuantum diperkirakan akan membuat simulasi fisika partikel menjadi semakin akurat. Pada akhirnya, komputer kuantum tidak hanya akan menjadi alat komputasi berkecepatan tinggi, tetapi juga instrumen penting untuk mengungkap hukum-hukum paling mendasar yang mengatur pembentukan materi dan evolusi alam semesta.