Ilmuwan Temukan Cara Baru Bangun Komputer Kuantum Universal

Para ilmuwan kembali mencetak kemajuan penting dalam pengembangan komputer kuantum. Kali ini, tim peneliti internasional berhasil menunjukkan bahwa partikel kuantum eksotis yang dikenal sebagai anyon non-Abelian berpotensi menjadi fondasi komputer kuantum universal yang lebih andal, efisien, sekaligus mampu menjalankan berbagai jenis komputasi tanpa memerlukan proses yang selama ini sangat mahal.

Penelitian yang dilakukan oleh ilmuwan dari University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME), Harvard University, Stony Brook University, dan perusahaan komputasi kuantum Quantinuum tersebut menjadi salah satu pencapaian penting dalam bidang teknologi kuantum. Hasil riset mereka menunjukkan bahwa anyon non-Abelian dapat digunakan untuk membangun universal gate set, yaitu kumpulan operasi dasar yang memungkinkan komputer kuantum menjalankan berbagai algoritma layaknya komputer konvensional.

Menurut Ruben Verresen, asisten profesor bidang molecular engineering di UChicago PME sekaligus salah satu penulis penelitian, tim berhasil membuktikan bahwa informasi kuantum dapat disimpan dan dimanipulasi menggunakan anyon non-Abelian sehingga hampir seluruh jenis komputasi kuantum dapat dijalankan.

"Kami berhasil mendemonstrasikan universal gate set. Artinya, jika informasi disimpan pada partikel-partikel ini dan kemudian dimanipulasi melalui pergerakannya, berbagai jenis komputasi kuantum dapat dilakukan," jelas Verresen.

Menjawab Tantangan Komputer Kuantum

Selama beberapa tahun terakhir, para peneliti berupaya mengembangkan komputer kuantum yang tidak hanya cepat, tetapi juga stabil dan tahan terhadap kesalahan.

Berbeda dengan komputer biasa yang menggunakan bit bernilai 0 atau 1, komputer kuantum menggunakan qubit yang mampu berada pada dua kondisi sekaligus melalui fenomena superposisi. Kemampuan tersebut membuat komputer kuantum memiliki potensi menyelesaikan perhitungan yang sangat rumit dalam waktu jauh lebih singkat.

Namun, qubit juga sangat sensitif terhadap gangguan lingkungan. Getaran, perubahan suhu, maupun interferensi elektromagnetik dapat menyebabkan kesalahan perhitungan atau dikenal sebagai quantum error.

Untuk mengatasinya, para peneliti selama ini menerapkan quantum error correction, yaitu teknik yang menyebarkan informasi ke banyak qubit agar data tetap aman ketika sebagian qubit mengalami gangguan.

Masalahnya, teknik tersebut belum cukup untuk melakukan seluruh operasi komputasi yang dibutuhkan. Sistem masih memerlukan komponen tambahan yang disebut magic state, yaitu keadaan kuantum khusus yang harus dipersiapkan melalui proses distilasi yang rumit, memakan waktu, dan menghabiskan banyak sumber daya komputasi.

Penelitian terbaru ini menawarkan solusi yang jauh lebih efisien. Anyon non-Abelian berpotensi menghasilkan kemampuan tersebut secara langsung sehingga proses distilasi magic state yang mahal dapat dikurangi, bahkan dihindari.

Mengenal Anyon Non-Abelian

Anyon non-Abelian merupakan partikel kuantum yang sangat berbeda dengan partikel biasa. Partikel ini bahkan tidak ditemukan secara alami di alam semesta.

Sebaliknya, para ilmuwan menciptakannya dengan menghubungkan puluhan qubit menjadi satu sistem yang saling terjerat (entangled). Setelah terbentuk, sistem tersebut berperilaku layaknya partikel baru dengan aturan fisika yang berbeda.

Keunikan utama anyon non-Abelian terletak pada cara kerjanya. Ketika dua anyon dipindahkan mengelilingi satu sama lain atau braiding (pengepangan), keadaan kuantumnya akan berubah. Berbeda dengan partikel biasa, urutan pergerakan kedua anyon tersebut sangat menentukan hasil akhirnya. Sifat inilah yang disebut sebagai non-Abelian.

Selain itu, informasi kuantum pada anyon tidak tersimpan pada satu qubit tertentu, melainkan tersebar di banyak qubit yang saling terhubung. Cara penyimpanan ini membuat informasi menjadi jauh lebih tahan terhadap gangguan dibandingkan qubit konvensional.

Yang lebih menarik lagi, proses braiding tidak hanya berfungsi memindahkan partikel, tetapi sekaligus menjalankan operasi logika dalam komputasi kuantum.

Melanjutkan Keberhasilan Penelitian Sebelumnya

Sebenarnya, tim peneliti yang sama telah lebih dahulu menciptakan anyon non-Abelian pada tahun 2024 menggunakan struktur simetri bernama D4, yang merepresentasikan rotasi dan refleksi sebuah persegi.

Meski berhasil menciptakan anyon pada perangkat kuantum, struktur tersebut ternyata belum cukup kuat untuk mendukung seluruh operasi komputasi universal. Verresen menggambarkan hasil penelitian sebelumnya sebagai "dunia kecil" yang berhasil mereka bangun, tetapi belum memiliki kemampuan komputasi yang lengkap.

Karena itu, dalam penelitian terbaru mereka beralih menggunakan struktur simetri S3, yaitu simetri yang menggambarkan rotasi dan pencerminan pada segitiga sama sisi.

Dengan memanfaatkan prosesor kuantum ion-terperangkap (trapped-ion) milik Quantinuum yang terdiri atas 54 qubit, para peneliti berhasil membangun anyon non-Abelian dengan kemampuan yang lebih baik.

Kombinasi Braiding dan Fusion Jadi Kunci

Keberhasilan penelitian ini tidak hanya berasal dari teknik braiding. Para peneliti juga menggabungkannya dengan teknik fusion (fusi), yaitu proses menggabungkan dua anyon kemudian membaca hasil akhirnya sebagai sebuah pengukuran kuantum.

Melalui kombinasi kedua teknik tersebut, tim berhasil mendemonstrasikan tiga operasi utama, yaitu satu gerbang logika yang dihasilkan dari braiding serta dua jenis pengukuran berbeda yang diperoleh melalui fusion.

Ketiga operasi tersebut secara teoritis telah cukup untuk membentuk komputasi kuantum universal, sehingga komputer kuantum dapat menjalankan seluruh jenis operasi yang diperlukan tanpa bergantung pada metode konvensional.

Memanfaatkan Qutrit yang Lebih Fleksibel

Dalam penelitian ini, ilmuwan juga menggunakan konsep qutrit, yaitu unit informasi kuantum yang memiliki tiga keadaan berbeda.

Jika qubit hanya mengenal dua keadaan dasar, qutrit memungkinkan penyimpanan informasi dalam tiga level kuantum. Kapasitas tambahan tersebut memberikan fleksibilitas lebih tinggi dalam merancang algoritma serta menjalankan operasi komputasi yang lebih kompleks.

Dengan memanfaatkan braiding dan fusion pada qutrit, para peneliti berhasil menunjukkan bahwa sistem memiliki kemampuan komputasi yang lebih luas dibandingkan pendekatan sebelumnya.

Menuju Komputer Kuantum yang Lebih Andal

Meski hasil penelitian ini sangat menjanjikan, para ilmuwan menegaskan bahwa teknologi tersebut masih berada pada tahap proof of principle atau pembuktian konsep.

Mereka belum menerapkan mekanisme quantum error correction secara penuh. Fokus penelitian saat ini adalah membuktikan bahwa seluruh blok penyusun komputasi kuantum dapat bekerja sesuai teori.

Langkah berikutnya adalah menggabungkan teknik baru ini dengan sistem koreksi kesalahan sehingga mampu menghasilkan komputer kuantum yang benar-benar stabil dan tahan terhadap gangguan.

Apabila berhasil diwujudkan, anyon non-Abelian berpotensi menjadi fondasi generasi baru komputer kuantum berskala besar yang lebih efisien, lebih andal, serta membutuhkan sumber daya yang jauh lebih sedikit dibandingkan pendekatan yang digunakan saat ini.

Tim peneliti juga telah mulai mengembangkan metode baru untuk menjaga stabilitas memori kuantum berbasis anyon non-Abelian. Upaya tersebut diharapkan dapat mempercepat hadirnya komputer kuantum praktis yang mampu dimanfaatkan untuk berbagai bidang, mulai dari penelitian ilmiah, kecerdasan buatan, penemuan obat, hingga simulasi material dan optimasi industri.