‘Ocelot’ Caltech Menjadi Kemajuan Terbaru dalam Mengurangi Kesalahan pada Komputasi Kuantum

Tahun lalu, McKinsey & Company menerbitkan laporan komprehensif yang menggambarkan lintasan masa depan komputasi kuantum. Laporan tersebut diberi nama ambisius ‘The Rise of Quantum Computing.’ Namun, ambisinya tidak tanpa dasar.

McKinsey mengatakan bahwa perjalanan menuju Komputasi Kuantum didorong oleh percepatan terobosan teknologi, peningkatan aliran investasi, dan proliferasi ekosistem startup.

Semua faktor ini bertanggung jawab mendorong para pemimpin bisnis untuk merencanakan strategi komputasi kuantum yang kuat. Analisis McKinsey yang diperbarui untuk Quantum Technology Monitor tahunan ketiga mengungkapkan bahwa empat sektor—kimia, ilmu hayat, keuangan, dan mobilitas—kemungkinan akan merasakan dampak paling awal dari komputasi kuantum dan dapat memperoleh hingga $2 triliun pada tahun 2035.

Agar Komputasi Kuantum tumbuh seperti yang dibayangkan McKinsey, diperlukan ekosistem inovasi yang berkembang. Dalam salah satu terobosan paling mutakhir dalam hal ini, ilmuwan di AWS Center for Quantum Computing on Caltech’s campus¹ telah menemukan cara untuk menekan kesalahan pada komputer kuantum—masalah yang dapat menjadi rintangan terbesar dalam membangun mesin kuantum siap masa depan. 

Apa ‘Masalah’nya?

Membangun komputer kuantum serbaguna yang melampaui studi pada bidang fisika khusus tetap menjadi tantangan karena sensitivitasnya yang inheren terhadap noise. Peneliti menemukan bahwa getaran, panas, interferensi elektromagnetik dari ponsel dan jaringan Wi‑Fi, bahkan sinar kosmik dan radiasi dari luar angkasa dapat mengganggu qubit—bit kuantum—menyebabkan mereka keluar dari keadaan kuantum dan menimbulkan kesalahan yang jauh lebih banyak dibandingkan komputer klasik.

Untuk menjelaskan dengan presisi ilmiah lebih lanjut, penelitian yang berjudul Hardware-Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits berupaya membangun komputer kuantum yang mengintegrasikan koreksi kesalahan kuantum. Ini akan memiliki qubit logis yang dikodekan secara redundan dalam banyak qubit fisik yang bising.

Ocelot: Solusinya

Dengan kata yang lebih sederhana, tim ilmuwan dari AWS dan Caltech menunjukkan arsitektur chip kuantum baru untuk menekan kesalahan menggunakan jenis qubit yang dikenal sebagai cat qubit.

Cat Qubit bukan hal baru; mereka pertama kali diusulkan pada tahun 2001. Sejak itu, peneliti terus mengembangkan dan menyempurnakannya. Terobosan bagi tim datang dengan penciptaan chip cat qubit skala pertama, yang dirancang untuk secara efisien mengurangi kesalahan kuantum. Chip tersebut dinamai Ocelot setelah kucing liar berbintik sekaligus merujuk pada teknologi “oscillator” internal yang menjadi dasar cat qubit.

Menurut peneliti, tingkat kesalahan harus satu miliar kali lebih baik daripada saat ini. Hanya dengan begitu komputer kuantum dapat disebut berhasil. Penemuan baru ini akan membantu kita mencapai target lebih cepat:

“Tingkat kesalahan telah menurun sekitar faktor dua setiap dua tahun. Pada laju ini, kami akan memerlukan 70 tahun untuk mencapai titik yang kami butuhkan. Sebaliknya, kami sedang mengembangkan arsitektur chip baru yang mungkin dapat membawa kami ke sana lebih cepat. Namun, ini masih merupakan blok bangunan awal. Kami masih memiliki banyak pekerjaan yang harus dilakukan.”

Para peneliti, sambil menyoroti kelemahan teknologi qubit saat ini, mengatakan bahwa mereka mungkin memerlukan ribuan qubit tambahan untuk memberikan tingkat perlindungan dari kesalahan yang diinginkan, yang serupa dengan media yang mempekerjakan tim faktachecker yang sangat besar untuk memverifikasi keakuratan artikelnya alih-alih hanya tim kecil. Hal ini membuat proses menjadi tidak efisien karena biaya overhead yang berlebihan dan sulit diatur.

Fernando Brandão, Bren Professor of Theoretical Physics di Caltech dan direktur ilmu terapan di AWS, mengakui masalah ini. Ia berkata:

“Jadi, kami mencoba pendekatan baru untuk koreksi kesalahan yang akan mengurangi overhead.”

Teknologi Osilasi di Dasar Ocelot

Tim menggunakan jenis qubit yang terbentuk dari sirkuit superkonduktor yang terbuat dari osilator gelombang mikro, di mana keadaan 1 dan 0—mewakili qubit—didefinisikan sebagai dua amplitudo osilasi skala besar yang berbeda. Pendekatan ini bertujuan membuat keadaan qubit stabil dan kebal terhadap kesalahan bit‑flip.

Setelah kesalahan bit‑flip diatasi, kesalahan lain yang masih harus diperbaiki adalah kesalahan fase‑flip. Untuk mendeteksi kesalahan fase, chip Ocelot menggunakan empat qubit tambahan.

Kode pengulangan sederhana tim efektif dalam menangkap kesalahan fase‑flip dan meningkat seiring kode bertambah dari tiga cat qubit menjadi lima cat qubit.

Jalan ke Depan untuk Penelitian Ini

Saat ini, demonstrasi berada pada tahap bukti konsep. Namun, peneliti yang terlibat dalam proses ini, seperti Painter, bersemangat dengan kinerja yang ditunjukkan Ocelot. Ia berkata:

“Ini adalah masalah yang sangat sulit untuk diatasi, dan kami perlu terus berinvestasi dalam riset dasar sambil tetap terhubung dan belajar dari pekerjaan penting yang dilakukan di dunia akademik.”

Seperti yang disinggung Painter, perbaikan ini memerlukan patron korporat. Diperlukan investasi untuk memperluas skala. Pada segmen berikut, kami membahas beberapa perusahaan yang melakukan pekerjaan signifikan di bidang Komputasi Kuantum.

1. IBM (IBM )

IBM, raksasa teknologi yang dihormati secara global, tetap berkomitmen untuk membuat komputasi kuantum praktis bagi dunia. Ia mengoperasikan divisi khusus, IBM Quantum, yang menawarkan akses ke armada komputasi kuantum terbesar di dunia melalui Qiskit—sebuah platform yang menyediakan alat perangkat lunak dan layanan untuk menciptakan model pemrograman holistik untuk utilitas.

QuantumSafe milik IBM, misalnya, mengamankan perusahaan untuk masa depan kuantum, menawarkan sistem 127-qubit secara gratis. Selain itu, platform menyediakan akses ke sistem, dokumentasi, dan sumber belajar semuanya dalam satu tempat.

Perusahaan berkomitmen untuk membuat komputasi kuantum bertanggung jawab. Pernyataan misi perusahaan dalam hal ini adalah menjadi “katalis untuk membuat dunia bekerja lebih baik,” dan ia menjalankan Inisiatif Quantum Bertanggung Jawab untuk memastikan bahwa pengembangan kami sejalan dengan misi tersebut.

Menurut IBM, Quantum Computing Bertanggung Jawab adalah komputasi kuantum yang menyadari dampaknya. Perusahaan telah merumuskan lima Prinsip Quantum Bertanggung Jawab untuk mengembangkan dan menerapkan teknologi kuantum yang diikuti tim secara internal. Prinsip‑prinsip tersebut adalah sebagai berikut:

• Memberikan dampak positif bagi masyarakat.
• Mengeksplorasi kasus penggunaan dengan wawasan ke depan.
• Mempromosikan produk IBM secara akurat
• Mengambil keputusan yang konsisten dan berprinsip
• Membangun komunitas kuantum yang beragam dan inklusif

Dengan kemajuan yang stabil sepanjang IBM Quantum™ Roadmap, perusahaan sedang meningkatkan platform kuantumnya untuk menyediakan layanan cloud tingkat perusahaan.

Secara lebih spesifik, perusahaan meningkatkan infrastruktur tingkat perusahaan. Namun, untuk tetap mulus bagi pengguna lama, perusahaan akan memastikan bahwa versi akhir dari IBM Quantum Platform baru akan sangat mirip dengan versi yang kami gunakan saat ini.

Perusahaan akan memastikan pengguna terus memiliki akses ke dokumentasi dan sumber belajar yang biasanya disediakan. Namun, peningkatan akan menambah nilai dengan kinerja yang ditingkatkan dan fitur‑fitur kuat.

Di antara fitur spesifik, peningkatan akan menyertakan privasi data dan keamanan yang ditingkatkan, pengalaman notifikasi yang disederhanakan, navigasi platform yang lebih baik, opsi bahasa ganda untuk pengguna yang berbicara bahasa selain Inggris, dll.

Untuk tingkat akses publik yang lebih tinggi, IBM telah membangun Quantum Network. Jaringan ini mendukung bisnis, universitas, laboratorium, dan pemimpin industri dalam perjalanan mereka meningkatkan kegunaan kuantum. Anggota memperoleh akses ke sumber belajar, pakar, dan acara untuk mempercepat riset serta mendorong kolaborasi.

Untuk tahun keuangan terbaru, IBM mencatat pendapatan sebesar $62.8 billion, naik 1 percent, naik 3 percent pada mata uang konstan.

Saat membahas hasilnya, Arvind Krishna, ketua, presiden, dan CEO IBM, berkata:

“Tiga tahun lalu, kami menetapkan visi untuk IBM yang tumbuh lebih cepat dan lebih menguntungkan. Saya bangga dengan pekerjaan yang telah dilakukan tim IBM untuk memenuhi atau melampaui komitmen kami. Dengan strategi terfokus, portofolio yang ditingkatkan, dan budaya inovasi, kami berada dalam posisi yang baik untuk 2025 dan seterusnya serta mengharapkan pertumbuhan pendapatan setidaknya lima persen dan arus kas bebas sekitar $13.5 billion tahun ini.”

2. Microsoft (MSFT )

Raksasa teknologi terkemuka lain yang melakukan pekerjaan pionir di bidang komputasi kuantum adalah Microsoft. Visinya adalah mempercepat penemuan ilmiah melalui teknologi canggih terdepan di industri yang akan mempercepat penemuan ilmiah.

Microsoft memiliki empat solusi kuantum berikut:

• Microsoft Quantum Compute Platform: Platform yang memungkinkan generasi baru aplikasi kuantum.
• Azure Quantum Elements: Solusi yang dirancang khusus untuk mempercepat penemuan ilmiah.
• Quantum Hardware: Solusi yang ditargetkan untuk membuka kunci superkomputer kuantum berskala.
• Quantum Networking: Solusi yang memungkinkan komputasi kuantum terdistribusi dengan jaringan kuantum

Jika kita melihat solusi ini dari sudut pandang pengguna, solusi yang berbeda menyediakan layanan yang berbeda. Misalnya, melalui platform Microsoft Quantum Compute, dimungkinkan mengakses perangkat keras kuantum mutakhir, qubit logis yang andal, model AI canggih, dan simulasi HPC untuk mempercepat penemuan ilmiah.

Solusi Azure Quantum Elements membantu mempercepat penemuan ilmiah untuk kimia dan ilmu material melalui High‑Performance Computing, Kecerdasan Buatan, dan komputer kuantum masa depan.

Melalui Microsoft Quantum Hardware, perusahaan sedang merancang superkomputer kuantum yang akan memungkinkan dunia mengatasi masalah seperti membalikkan perubahan iklim dan meningkatkan keamanan pangan.

Akhirnya, melalui Microsoft Quantum Networking, perusahaan bertujuan menyediakan kemampuan jaringan kuantum untuk memperluas klaster kuantum dan memungkinkan aplikasi baru terkait keamanan.

Jika kita menyelami lebih dalam Microsoft Quantum Hardware, kita akan menyadari bahwa ini memang terobosan. Ini terobosan karena mempelopori komputasi kuantum hanya dengan pengukuran—cara yang secara fundamental lebih sederhana untuk mengendalikan informasi kuantum.

Didukung oleh Topological Core, prosesor Microsoft dirancang untuk skala hingga satu juta qubit—daya komputasi yang cukup untuk mengatasi tantangan terberat umat manusia dalam energi, kedokteran, dan lain‑lain.

Dalam hal ini, dapat dilihat makalah Microsoft, yang dipublikasikan di Nature, berjudul ‘Interferometric Single‑Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices.’

Secara keseluruhan, Microsoft Quantum Hardware berdiri di atas pilar‑pilar dasar berikut:

• Skalabilitas: Solusi dirancang untuk memungkinkan komputasi kuantum yang berguna
• Stabilitas: Ia tahan terhadap kesalahan pada tingkat perangkat keras.
• Kecil: Perangkat keras dapat menampung lebih dari satu juta qubit dalam satu chip tunggal.
• Cepat: Memerlukan kurang dari 1 mikrodetik per operasi.
• Dapat dikendalikan: Pulsa voltasenya memberikan kontrol digital yang tepat.

Jika kita melihat fitur utama Azure Quantum Elements, kimia generatifnya memanfaatkan kekuatan AI generatif untuk sangat menyederhanakan penemuan dan desain molekul baru dengan sifat yang diinginkan. Fitur DFT yang dipercepat menentukan sifat molekul dengan ribuan atom dalam hitungan jam, memberikan peningkatan kecepatan yang signifikan dibandingkan kode DFT lainnya.

Selain itu, ekosistem terbuka membantu memanfaatkan solusi perangkat lunak yang familiar yang dioptimalkan untuk Azure Quantum Elements.

Azure Quantum Elements milik Microsoft telah membantu beberapa institusi riset dan perusahaan memberikan solusi untuk masa depan. Misalnya, Unilever memanfaatkan kekuatan superkomputasi Microsoft dan layanan AI untuk mendukung transformasi R&D dan inovasi produk mereka.

Microsoft dan Pacific Northwest National Laboratory bergabung untuk mengidentifikasi material baru yang berpotensi menghasilkan baterai yang lebih baik. Perusahaan telah berkolaborasi dengan AspenTech untuk merancang alur kerja kimia kuantum. Ia juga bekerja sama dengan Johnson Matthey untuk mempercepat inovasi sel bahan bakar hidrogen dengan Azure Quantum.

Microsoft dan 1910 Genetics bermitra untuk meningkatkan produktivitas R&D industri farmasi, sementara ia bermitra dengan InQuanto untuk mempercepat kimia komputasi kuantum. Secara keseluruhan, Microsoft telah memainkan peran kunci dalam menunjukkan bagaimana Komputasi Kuantum dapat menjadi berguna secara efisien untuk masa depan yang kuat dan efisien.

Pada tahun 2024, tahun yang menandai usia ke‑50 Microsoft sebagai perusahaan. Perusahaan menghasilkan lebih dari $245 billion pendapatan tahunan, naik 16 percent year‑over‑year, dan lebih dari $109 billion pendapatan operasional, naik 24 percent. Perusahaan secara tegas menyatakan bahwa ia fokus pada inkubasi produk teknis dan solusi dukungan dengan potensi transformatif untuk masa depan komputasi awan dan pertumbuhan perusahaan yang berkelanjutan, seperti komputasi kuantum dan AI canggih untuk ilmu pengetahuan.

Sementara perusahaan teknologi besar melakukan yang terbaik, riset institusional tidak tertinggal. Kami memulai diskusi dengan salah satu riset terobosan tersebut, dan kami akan menutup dengan beberapa lagi.

Klik di sini untuk mempelajari tentang keadaan terkini komputasi kuantum.

Lebih Lanjut tentang Penelitian Komputasi Kuantum

Google Quantum AI dan kolaboratornya mempublikasikan penelitian mereka di Nature pada Desember 2024. Penelitian tersebut berjudul Quantum Error Correction Below The Surface Code Threshold.²

Penelitian tersebut menangani masalah koreksi kesalahan kuantum, jalur kunci menuju komputasi kuantum praktis. Dengan menggabungkan beberapa qubit fisik menjadi satu qubit logis, pendekatan ini menekan tingkat kesalahan logis secara eksponensial seiring penambahan lebih banyak qubit.

Akibatnya, peneliti mempersembahkan dua memori kode permukaan di bawah ambang pada generasi terbaru prosesor superkonduktor mereka, Willow, yaitu kode jarak‑7 dan kode jarak‑5 yang terintegrasi dengan decoder waktu‑nyata.

Hasilnya signifikan. Sistem mempertahankan kinerja di bawah ambang saat decoding secara waktu‑nyata, mencapai latensi decoder rata‑rata 63 microseconds pada jarak lima hingga satu juta siklus, dengan waktu siklus 1.1 microseconds. Peneliti mengklaim bahwa penelitian mereka menunjukkan bahwa jika diskalakan, kinerja perangkat dapat memenuhi persyaratan operasional algoritma kuantum toleran‑kesalahan berskala besar.

Pada tahun 2022, dengan tetap memfokuskan pada koreksi kesalahan, peneliti IBM mengeksplorasi kode yang disebut gross code, jenis kode baru yang dapat menyimpan informasi kuantum secara bebas kesalahan dengan sebagian kecil overhead perangkat keras. Hal ini dapat menghasilkan koreksi kesalahan dengan overhead yang jauh lebih sedikit.

Dalam sebuah makalah yang dipublikasikan di Nature, IBM secara khusus mencari memori kuantum toleran‑kesalahan dengan overhead qubit rendah, ambang kesalahan tinggi, dan jarak kode besar. Perusahaan mengklaim bahwa analisis matematisnya menemukan contoh konkret kode qLDPC yang memenuhi semua kondisi menjadi toleran‑kesalahan, memiliki memori kuantum, serta memiliki ambang kesalahan tinggi, jarak kode besar, dan overhead qubit rendah.

Perusahaan mengklaim bahwa kode mereka masuk dalam keluarga kode yang disebut “Bivariate Bicycle (BB)”. Kode tersebut akan membentuk tidak hanya penelitian IBM ke depan tetapi juga cara kami merancang sistem kuantum fisik.

Secara keseluruhan, terdapat ruang yang luas untuk mewujudkan kemajuan berkelanjutan dalam mendekati keunggulan kuantum. Investasi publik global dalam teknologi kuantum mencapai US$42 billion pada 2023, dengan China memimpin dengan investasi pemerintah yang diumumkan sebesar US$15.3 billion.

Diikuti oleh Jerman, Inggris, Amerika Serikat, dan Korea Selatan, antara lain. Fakta bahwa ekonomi yang maju secara teknologi semakin banyak berinvestasi dalam Komputasi Kuantum dan teknologi terkait merupakan bukti bahwa cakupannya sangat besar. Apa yang kita lihat sekarang mungkin hanya puncak gunung es.

Klik di sini untuk daftar lima perusahaan komputasi kuantum teratas.