Microsoft Menemukan Keadaan Materi Baru untuk Chip Komputasi Kuantum Majorana-1

Keadaan Materi Baru untuk Menskalakan Komputer Kuantum

It has been an eventful few months for progress in quantum computing and the companies we covered in “5 Perusahaan Komputasi Kuantum Terbaik 2025”.

Semua dimulai dengan Willow milik Google pada Desember 2024, mungkin chip kuantum skalabel pertama dalam sejarah. Kemudian diikuti dengan berita tentang komputasi kuantum terdistribusi pertama melalui tautan jaringan optik, membuka jalan bagi komputer kuantum yang terhubung seperti komputer biasa pada server khusus.

Sekarang giliran Microsoft (MSFT ) membuat gebrakan besar dengan presentasi Majorana 1, sebuah chip yang menggunakan keadaan materi baru sepenuhnya untuk melakukan komputasi kuantum: topokonduktor.

Microsoft mengklaim topokonduktor dapat menghasilkan qubit yang lebih andal dan skalabel, blok bangunan untuk komputer kuantum.

Jalur sepenuhnya baru ini untuk komputasi kuantum secara radikal mengubah cara Microsoft berencana membangun komputer kuantum masa depannya, dengan “jalur yang jelas untuk menampung satu juta qubit pada satu chip yang dapat muat di telapak tangan seseorang.”

Apa Itu Topokonduktor?

Sepertinya asal mula terobosan ini berasal dari pendekatan baru, yaitu menciptakan transistor yang didedikasikan untuk komputasi kuantum, melampaui apa yang telah dilakukan hingga kini.

“Kami mundur selangkah dan berkata ‘Oke, mari kita ciptakan transistor untuk era kuantum. Properti apa yang harus dimilikinya?

Dan itulah sebenarnya bagaimana kami sampai di sini – kombinasi khusus, kualitas, dan detail penting dalam tumpukan material baru kami yang memungkinkan jenis qubit baru dan pada akhirnya seluruh arsitektur kami.”

Chetan Nayak, Microsoft technical fellow

Superkonduktor topologis, yang dijelaskan dalam makalah terkait yang dipublikasikan di Nature¹, dengan judul “Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices“, adalah keadaan materi yang berbeda dari yang lebih familiar seperti padat, cair, atau gas, bahkan yang lebih eksotik seperti plasma atau kondensat Bose-Einstein.

Keadaan topologis sebelumnya hanya bersifat teoritis, pertama kali oleh Ettore Majorana (1906-1938), namun tiba-tiba tampaknya tidak hanya dapat diamati tetapi juga dapat dikendalikan. Partikel Majorana (juga disebut fermion Majorana), sebuah partikel yang merupakan antipartikel dirinya sendiri, pertama kali diamati oleh peneliti Microsoft pada tahun 2024.

Partikel Majorana mirip dengan elektron dalam beberapa cara dan dapat digunakan untuk mempertahankan data kuantum yang berguna bagi komputasi kuantum.

Ini bukanlah keberhasilan semalam dan tampaknya merupakan hasil dari lebih dari 17 tahun penelitian, proyek riset terpanjang Microsoft, dan hingga kini menjadi rahasia yang sangat terjaga.

Untuk menyederhanakan (banyak), topokonduktor adalah semikonduktor yang berbagi sebagian perilakunya pada tingkat atomik dan sub-atomik dengan material superkonduktor.

Sumber: Microsoft

Cara ini dicapai dengan menggabungkan dalam sebuah kawat indium arsenide (sebuah semikonduktor) dan aluminium (sebuah superkonduktor).

Sumber: Physical Review

Ketika didinginkan hingga hampir nol mutlak dan disetel dengan medan magnet, perangkat ini membentuk nanokabel superkonduktor topologis, yang mengandung apa yang disebut Majorana Zero Modes (MZM) di ujung-ujung kawat.

Sumber: Microsoft

Keadaan Kuantum Ultra-Stabil

Dalam superkonduktor “normal”, setiap elektron tak berpasangan dapat terdeteksi karena keberadaannya memerlukan energi tambahan. Hal ini membuat pengukurannya sederhana, namun juga membuatnya sangat sensitif terhadap kebisingan dan gangguan dari lingkungan, sehingga perhitungan kuantum menjadi sulit.

MZM sangat berbeda, karena elektron tak berpasangan dibagi antara sepasang MZM, menjadikannya tidak terlihat oleh lingkungan. Properti unik partikel Majorana ini melindungi informasi kuantum, menjadikannya ultra-stabil dan dapat diandalkan.

Elektron Tak Terlihat

Tentu saja, meskipun ini ideal untuk mempertahankan keadaan kuantum dalam kondisi yang stabil dan berguna, hal ini juga membuat pengukuran sebenarnya menjadi sangat sulit, sehingga partikel Majorana hanya bersifat teoretis selama satu abad hingga baru-baru ini.

Meskipun ini menjadikan topokonduktor kami kandidat ideal untuk qubit, hal ini juga menimbulkan tantangan: Bagaimana kami membaca informasi kuantum yang tersembunyi begitu baik? Bagaimana kami membedakan antara, misalnya, 1.000.000.000 dan 1.000.000.001 elektron?

Solusi Microsoft untuk masalah ini memanfaatkan quantum dot, sebuah material unik yang kami bahas secara mendalam dalam “Investing in Nobel Prize Achievements – Quantum Dots & Nanocolors”. Ini dapat digambarkan sebagai perangkat semikonduktor kecil yang dapat menyimpan muatan listrik.

Quantum dot ditempatkan di ujung nanokabel topologis. Sambungan ini meningkatkan kemampuan dot untuk menahan muatan. Secara krusial, peningkatan tepatnya bergantung pada paritas nanokabel.

Sumber: Microsoft

Jadi, dengan mengukur keadaan quantum dot, proses yang dipahami dengan baik menggunakan gelombang mikro, sistem juga dapat mengukur keadaan kuantum yang tidak terlihat dari partikel Majorana.

Sumber: Nature

Tidak hanya pengukuran memungkinkan, tetapi juga sangat dapat diandalkan, bahkan dengan prototipe pertama, sebelum optimasi lebih lanjut dilakukan.

Kami merancang perangkat kami sehingga perubahan ini cukup besar untuk diukur secara andal dalam satu kali percobaan. Pengukuran awal kami memiliki probabilitas kesalahan sebesar 1%, dan kami telah mengidentifikasi jalur jelas untuk secara signifikan menguranginya.

Qubit Ultra-Andal

Ini sepenuhnya mengubah pendekatan pengukuran keadaan kuantum yang digunakan dalam komputasi kuantum.

Sampai saat ini, hal ini memerlukan rotasi keadaan kuantum melalui sudut yang tepat, memerlukan sinyal kontrol analog yang kompleks yang disesuaikan untuk setiap qubit. Hal ini membuat koreksi kesalahan, yang bergantung pada metode yang sama, menjadi sangat kompleks, mahal, dan secara keseluruhan kurang dapat diandalkan.

Sebaliknya, metode yang ditemukan Microsoft dapat dengan sederhana memperbaiki kesalahan dengan menghubungkan dan memutuskan quantum dot dari nanokabel, menggunakan pulsa digital.

Sumber: Microsoft

Jika Anda tertarik, Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang detail pengembangan topokonduktor dalam wawancara panjang ini dengan Dr. Chetan Nayak, pemimpin di balik proyek Microsoft ini.

Arsitektur yang Secara Alami Skalabel

Karena sistem ini jauh lebih sederhana dalam hal rekayasa, meskipun tidak dalam fisika partikel, serta lebih andal dan stabil, secara alami lebih mudah untuk diskalakan.

Komponen dasar akan menjadi “tetron”, yang terbuat dari 2 nanokabel, 4 MZM, dan 4 quantum dot, menciptakan perangkat 2-qubit.

Ketika dipasangkan dengan yang lain, ia dapat membentuk perangkat dua-qubit dasar yang mendukung metode yang digunakan dalam komputasi kuantum yang disebut “measurement-based braiding transformations”.

Array 4×2 tetron dapat melakukan deteksi kesalahan pada dua qubit logis.

Sumber: Microsoft

Blok ini kemudian dapat direplikasi puluhan, ratusan, atau pada akhirnya ribuan atau jutaan kali untuk membangun komputer kuantum besar, jauh lebih besar daripada apa pun yang dibayangkan hingga kini.

Mungkin tidak mengherankan bahwa komputasi kuantum mengharuskan kami merancang keadaan materi baru yang secara khusus dirancang untuk memungkinkannya.

Yang luar biasa adalah betapa akuratnya teknik pembacaan kami saat ini, menunjukkan bahwa kami memanfaatkan keadaan materi eksotis ini untuk komputasi kuantum.

Akhirnya, bagian kunci yang membuat teknologi ini sangat skalabel adalah betapa kecilnya komponen fisiknya. Akibatnya, lebih dari satu juta qubit fisik dapat dimasukkan ke dalam chip kecil yang dapat dipegang dalam tangan.

Sumber: Microsoft

Peningkatan Lebih Lanjut

Seperti yang dijelaskan, bahkan probabilitas kesalahan 1% dalam pengukuran quantum dot dan MZM dapat dikurangi lebih lanjut. Peneliti Microsoft sudah melihat cara untuk melakukannya.

Karena kesalahan dalam komputasi saling memperparah, mengurangi tingkat kesalahan sebesar 10x dapat meningkatkan potensi komputasi yang berguna secara signifikan.

Hal lain yang dapat ditingkatkan adalah stabilitas keseluruhan keadaan kuantum partikel Majorana.

“Energi eksternal—seperti radiasi elektromagnetik—dapat memutus pasangan Cooper, menciptakan elektron tak berpasangan yang dapat mengubah keadaan qubit dari paritas genap ke ganjil. Namun, hasil kami menunjukkan bahwa hal ini jarang terjadi, hanya sekali per milidetik rata-rata.”

Karena sistem yang dikembangkan Microsoft telah menunjukkan stabilitas mengesankan, ini menunjukkan bahwa perisai sudah melakukan tugasnya dengan baik. Namun, kemungkinan masih ada cara lain untuk mengurangi interferensi lebih lanjut, yang juga sedang diselidiki.

Mempercepat Revolusi Komputasi Kuantum

Langkah selanjutnya bagi Microsoft adalah membangun array tetron 4×2 di luar prototipe awal dan mengujinya secara skala besar.

Kemudian menggunakan seluruh array delapan-qubit untuk menerapkan deteksi kesalahan kuantum (QEC) pada dua qubit logis.

Karena qubit topologis memiliki perlindungan kesalahan bawaan, hal ini sangat menyederhanakan QEC. Selain itu, Microsoft mengklaim kode QEC khusus mengurangi overhead kira-kira 10x dibandingkan pendekatan mutakhir sebelumnya.

Jadi tidak hanya qubit berbasis Majorana lebih dapat diandalkan, tetapi mereka dapat berjalan lebih cepat dan membutuhkan lebih sedikit qubit fisik untuk menghasilkan satu qubit logis.

(qubit logis adalah unit pengukuran yang berguna untuk aplikasi praktis, sama seperti prosesor diukur dalam operasi per detik dan bukan hanya berdasarkan berapa banyak transistor yang dimilikinya)

“Kami percaya terobosan ini akan memungkinkan kami menciptakan komputer kuantum yang benar-benar bermakna bukan dalam dekade, seperti yang diprediksi beberapa orang, melainkan dalam tahun.

Satya Nadella – CEO Microsoft”

Aplikasi

Ilmu Pengetahuan

Komunikasi Microsoft tentang Majorana 1 sebagian besar difokuskan pada hasil ilmiah yang dapat dihasilkannya, terutama dalam biologi dan ilmu material.

Ini adalah bidang yang sangat penting bagi komputasi kuantum, karena dari pelipatan protein hingga material kompleks untuk baterai, perhitungan bagaimana mereka berperilaku pada tingkat atom sangat menuntut dalam hal komputasi, mendorong batas superkomputer saat ini.

Komputer kuantum yang skalabel akan dapat mensimulasikan masalah ini jutaan atau bahkan triliunan kali lebih efisien, kemungkinan memungkinkan aliran besar penemuan baru.

Ini akan dilakukan tidak hanya dengan melakukan perhitungan yang sebelumnya tidak mungkin, tetapi juga dengan menghindari miliaran dolar dalam pencarian eksperimental yang menyeluruh dan eksperimen laboratorium basah.

Di antara kemungkinan tak berujung, beberapa disebutkan oleh Microsoft:

• Material penyembuh diri yang memperbaiki retakan pada jembatan.
• Pertanian berkelanjutan.
• Penemuan kimia yang lebih aman.

Dalam wawancara berdurasi satu jam, CEO Microsoft bahkan menjelaskan bahwa dari perspektifnya, cara untuk melihat apakah komputasi kuantum dan AI berfungsi dengan baik adalah pertumbuhan ekonomi global.

“Tolok ukur sebenarnya adalah jika dunia tumbuh sebesar 10%” lebih dari metrik lainnya.”

Satya Nadella – CEO Microsoft

Kryptografi & Pertahanan

Komputer kuantum memiliki potensi untuk memecahkan hampir semua metode enkripsi yang saat ini digunakan, termasuk untuk komunikasi militer, kode nuklir, transfer perbankan, dll.

Jadi tentu saja ini menjadi pertanyaan yang sangat penting bagi pemerintah AS (dan semua kekuatan besar lainnya) agar tidak terkejut oleh kemajuan dalam komputasi kuantum.

Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) telah memilih Microsoft sebagai salah satu dari dua perusahaan yang melanjutkan ke fase akhir program benchmarking ketat mereka yang dikenal sebagai Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), (perusahaan lainnya adalah komputasi kuantum fotonik PsiQuantum).

US2QC mengumpulkan para ahli dari DARPA, Air Force Research Laboratory, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Los Alamos National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory, dan NASA Ames Research Center.

Komputasi Kuantum dan Perusahaan Partikel Majorana

Microsoft

Walaupun Microsoft paling dikenal karena kehadirannya yang sangat kuat dalam sistem operasi dengan Windows, ia juga merupakan raksasa di banyak bidang teknologi lainnya.

Sebagai contoh, ia menjadi pemimpin dalam solusi bisnis, termasuk Office (Outlook, Word, Excel, dan PowerPoint), serta panggilan perusahaan (Teams), penyimpanan cloud bersama (OneDrive), Visio (diagram, grafik), Loop (ruang kerja kolaboratif), dan Access (basis data).

Meskipun bukan pemimpin dalam layanan cloud (yang didominasi oleh AWS milik Amazon ), Microsoft menyumbang 20% infrastruktur cloud global melalui platform Azure-nya, sebesar gabungan pangsa Google + Alibaba + Oracle.

Sumber: Statista

Microsoft juga merupakan pemilik LinkedIn, GitHub, Xbox, dan banyak studio video game terbesar di dunia.

Sumber: Microsoft

Dalam hal AI, Microsoft lebih fokus pada kasus penggunaan teknis dan aplikasi bisnis daripada aplikasi konsumen, terutama dengan program AI4Science, pada AI yang berguna untuk riset ilmiah.

Ini termasuk, misalnya, mempercepat pekerjaan ilmuwan material untuk merancang molekul baru atau elektroda baterai dengan AI yang menyaring 32 juta material potensial menjadi 500.000 kandidat, lalu menjadi 800 dalam kurang dari 80 jam.

Sumber: Microsoft

Perusahaan seperti Unilever sudah menggunakan “Generative Chemistry” ini untuk mempercepat penemuan ilmiah mereka.

Sampai saat ini, dalam hal komputasi kuantum, Microsoft tampak tertinggal dibandingkan Google atau IBM; ia menawarkan layanan komputasi kuantum berbasis cloud dengan Azure Quantum. Layanan ini juga dapat menawarkan “komputasi hibrida”, menggabungkan komputasi kuantum dengan layanan superkomputer tradisional berbasis cloud.

Sumber: Microsoft

Sekarang setelah perangkat keras terobosan yang memanfaatkan partikel Majorana diungkapkan, hal ini sepenuhnya mengubah posisi aktual perusahaan.

Jauh dari tertinggal, perusahaan ini hanya menyempurnakan pengumuman besarnya, dan membangun perangkat lunak serta kasus penggunaan yang akan dipakai oleh klien industri dengan komputer kuantum skalabelnya.

Ini merupakan pergeseran radikal dari perusahaan yang sebagian besar fokus pada perangkat lunak dibandingkan perangkat keras, kecuali konsol Xbox.

Dan hal ini dapat terbukti sangat menguntungkan jika ternyata partikel Majorana adalah kunci untuk komputer kuantum skala juta qubit yang skalabel dan sangat kuat, memberikan pertumbuhan tambahan bagi perusahaan yang sudah sangat besar.

(Anda juga dapat membaca artikel kami yang menyoroti Microsoft secara keseluruhan dengan lebih detail, di luar komputasi kuantum, untuk lebih memahami perusahaan).

Referensi Studi:

^{1. Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. (2025) Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices. Nature 638, 651–655. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2}