Caltech Meningkatkan Qubit Atom Netral menjadi 6.100 dengan Tweezer

Sudah sekitar empat dekade sejak tweezers optik dikembangkan, dan mereka terus merevolusi fisika, biologi, dan kedokteran hingga hari ini.

Tweezers optik adalah alat luar biasa yang dapat mengambil dan memindahkan objek mikroskopik, seperti sel, atom, molekul, dan tetesan, tanpa menyentuhnya. 

Alat ini menggunakan laser terfokus untuk memanipulasi objek. Dengan menggunakan berkas cahaya yang sangat terfokus, mereka mampu menahan partikel mikroskopik dan sub‑mikroskopik secara stabil dalam tiga dimensi.

Ber­kas tersebut difokuskan oleh mikroskop berkualitas tinggi menjadi sebuah titik, menciptakan ‘perangkap optik’ yang menahan partikel. Partikel ini mengalami gaya yang terdiri dari penyebaran cahaya dan gaya gradien akibat interaksinya dengan cahaya.

Dikembangkan oleh fisikawan Amerika Arthur Ashkin pada tahun 1986, yang menerima Hadiah Nobel Fisika untuk penemuannya pada tahun 2018, tweezers optik memungkinkan ilmuwan mempelajari bakteri tunggal, sel sperma, untai DNA, interaksi partikel tunggal dengan cahaya, dan banyak lagi.

Saat ini, instrumen ilmiah ini menjadi dasar bagi banyak eksperimen terdepan dalam simulasi dan komputasi kuantum. 

Sebagai contoh, ilmuwan dari Departemen Fisika Eksperimental dan Institut Optik Kuantum serta Informasi Kuantum (IQOQI) baru‑baru ini menangkap atom erbum tunggal¹ dalam array tweezers optik untuk pertama kalinya, memperluas penggunaan alat ini dari sistem sederhana ke eksperimen kuantum yang lebih kompleks.

Jenis eksperimen semacam ini, yang menangkap puluhan hingga ratusan qubit atom, baru‑baru ini berhasil mencapai array sekitar seribu atom.

Menskala ini menjadi ribuan qubit atom dengan kerugian rendah, waktu koherensi panjang, dan pencitraan berfidelitas tinggi, yang sangat penting untuk kemajuan koreksi kesalahan kuantum, namun, telah menjadi tantangan yang besar.
Swipe to scroll →

Namun, hal ini kini telah dibuktikan secara eksperimental oleh peneliti Caltech. Mereka berhasil menangkap 6.100 atom netral dalam kira‑kira 12.000 situs menggunakan array tweezers optik. Pada saat yang sama, mereka melampaui “kinerja mutakhir untuk beberapa metrik yang menjadi dasar keberhasilan platform,” catat tim.

Para peneliti menunjukkan waktu koherensi 12,6(1) detik, yang merupakan rekor untuk qubit hiperfrekuensi dalam array tweezers optik. Bertahan selama sekitar 23 menit, mereka mencapai kelangsungan gambar tertinggi 99,98952(1)% dengan fidelitas gambar lebih dari 99,99%. 

Menurut tim, hasil ini menunjukkan bahwa komputasi kuantum universal dapat segera menjadi kenyataan. 

Why Error Correction Dominates Quantum Computing’s Roadmap

Komputasi kuantum telah menarik minat peneliti dan perusahaan di seluruh dunia. 

Menurut analis di BofA, pasar komputasi kuantum diperkirakan akan mencapai valuasi sekitar $4 miliar pada awal dekade berikutnya. 

“Janji komputasi kuantum itu nyata,” kata para analis dalam catatan kepada klien, menambahkan bahwa masih ada beberapa hambatan bagi pertumbuhan teknologi, dan setelah hambatan ini diatasi, “kami mengharapkan lonjakan pendapatan yang jauh lebih signifikan.”

Pendukung komputasi kuantum menyoroti potensinya untuk mentransformasi keuangan, perawatan kesehatan, logistik, keamanan siber, ilmu material, dan kecerdasan buatan. 

Minggu ini saja, HSBC Holdings mengumumkan bahwa mereka telah mencapai terobosan dunia pertama dalam penggunaan komputasi kuantum di pasar keuangan. Bank yang berbasis di London tersebut menggunakan prosesor kuantum Heron milik IBM dalam perdagangan obligasi, yang menghasilkan peningkatan 34% dalam memprediksi kemungkinan obligasi diperdagangkan pada harga tertentu. 

Pemrosesan kuantum diterapkan pada kumpulan data perdagangan obligasi Eropa yang dianonimkan, di mana ia menunjukkan kemampuan untuk secara signifikan meningkatkan efisiensi pasar.

Aplikasi praktis teknologi kuantum di sektor lain belum terjalin secara kuat, meskipun, dengan kritikus berargumen bahwa revolusi komputer kuantum masih jauh dan terbatas.

Sebagai contoh, pada akhir tahun lalu, Google merilis chip baru bernama Willow yang mereka katakan menandai terobosan besar di bidang komputasi kuantum, tetapi mencatat bahwa benchmark yang digunakan untuk mengukur kinerjanya memiliki “tidak ada aplikasi dunia nyata yang diketahui.²” 

Namun, McKinsey memperkirakan nilai pasar teknologi kuantum dapat naik hingga $100 miliar dalam satu dekade.

Angka‑angka ini berdasarkan antisipasi bahwa masalah‑masalah tertentu tidak dapat diselesaikan oleh komputer klasik tetapi dapat dengan mudah ditangani oleh komputer kuantum, membantu kita memahami dan memanipulasi sistem kuantum lainnya. 

Namun, saat ini, komputasi kuantum menghadapi tantangan signifikan terkait decoherence, yang membuat qubit rapuh dan rentan terhadap kesalahan. Hal ini pada gilirannya membuat toleransi kesalahan yang mahal menjadi krusial untuk komputasi kuantum yang dapat diandalkan.

Qubit atau quantum bits setara dengan bit pada komputer klasik. Namun sementara bit klasik selalu bernilai satu atau nol, qubit dapat berada pada kedua nilai secara bersamaan hingga keadaan mereka diukur, dan keadaan beberapa qubit juga dapat ter‑entanglement. 

Dua fenomena ini, superposisi (kemampuan qubit berada dalam banyak keadaan secara simultan) dan entanglement (kemampuan qubit terhubung dan berbagi keadaan yang sama terlepas dari jarak), memberi komputer kuantum kemampuan yang tidak dimiliki komputer klasik.

Kedua hal tersebut, bagaimanapun, merupakan keadaan yang sangat rapuh dan dapat dengan mudah hancur oleh interaksi sekecil apa pun dengan lingkungan.

Dari interferensi elektromagnetik hingga perubahan suhu, faktor lingkungan dapat meruntuhkan properti‑properti tersebut, menghasilkan hasil yang tidak akurat. Jadi, kerentanan ini adalah salah satu hambatan terbesar untuk skala dan kekuatan komputasi kuantum, dan dengan demikian, banyak penelitian di bidang ini difokuskan pada koreksi kesalahan kuantum (QEC).

Salah satu dari cara peneliti mengatasi kerentanan qubit dan memperbaiki kesalahan adalah dengan membangun komputer kuantum dengan qubit tambahan yang redundan. Ini berarti komputer kuantum yang kuat akan memiliki ratusan ribu qubit.

Caltech’s Record-Breaking Neutral Atom Array Balances Quantity & Quality

Berupaya membangun komputer kuantum dengan banyak qubit untuk memperbaiki setiap kesalahan, tim peneliti di Caltech telah mencetak rekor dengan menciptakan array qubit terbesar yang pernah dirakit.

Sebanyak 6.100 qubit atom netral telah dikurung dalam sebuah grid menggunakan laser. Sebelumnya, jenis array ini hanya berisi ratusan qubit.

Dipublikasikan di Nature, studi berjudul “A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits³” merinci pencapaian tersebut, yang memanfaatkan atom netral. 

Atom netral adalah atom yang tidak memiliki muatan listrik bersih. Jadi, jumlah proton sama dengan jumlah elektron. 

Dengan memanfaatkan tingkat energi internal mereka, peneliti dapat menggunakan atom netral sebagai qubit. Tingkat energi dapat dikendalikan dan dimanipulasi menggunakan laser dan medan magnet untuk melakukan operasi tertentu.

Karena netral, atom‑atom tidak berinteraksi kuat satu sama lain, memungkinkan penangkapan array besar atom dan memungkinkan konstruksi prosesor kuantum berskala besar. Selain itu, atom netral menunjukkan waktu koherensi yang panjang, faktor lain yang membuatnya menguntungkan untuk komputasi kuantum.

Namun, tentu saja, ada tantangan terkait kebutuhan kontrol presisi atas penangkapan, pendinginan, dan manipulasi.

“Ini adalah momen yang menggembirakan bagi komputasi kuantum berbasis atom netral. Kami kini melihat jalur menuju komputer kuantum berskala besar yang dikoreksi kesalahannya. Blok‑bangunan sudah ada.”

– Peneliti utama studi, Manuel Endres & seorang profesor fisika di Caltech

Dipimpin oleh mahasiswa pascasarjana Caltech Hannah Manetsch, Gyohei Nomura, dan Elie Bataille, studi ini menggunakan tweezers optik untuk menangkap ribuan atom cesium (Cs) individu dalam sebuah grid. 

Untuk membangun array atom, mereka membagi berkas laser menjadi 12.000 tweezers, yang menahan total 6.100 atom dalam ruang hampa. “Di layar, kami benar‑benar dapat melihat setiap qubit sebagai titik cahaya,” kata Manetsch. “Itu adalah gambar yang menakjubkan dari perangkat keras kuantum pada skala besar.”

Meskipun tim berhasil mencetak rekor baru dalam skala, kuantitas ini tidak mengorbankan kualitas, karena mereka juga mencapai waktu koherensi yang panjang.

Tim berhasil menjaga qubit‑qubit ini dalam superposisi selama sekitar 13 detik, kira‑kira sepuluh kali lebih lama daripada yang dicapai oleh array serupa sebelumnya. Lebih lagi, mereka dapat memanipulasi qubit individu dengan akurasi sehingga 99,98%.

Menurut Nomura:

“Skala besar, dengan lebih banyak atom, sering dianggap mengorbankan akurasi, tetapi hasil kami menunjukkan bahwa kami dapat melakukan keduanya. Qubit tidak berguna tanpa kualitas. Sekarang kami memiliki kuantitas dan kualitas.”

Selanjutnya, tim menunjukkan bahwa mereka dapat memindahkan atom‑atom ratusan mikrometer (μm) melintasi array sambil tetap mempertahankan superposisi. Bayangkan menyeimbangkan gelas berisi air sambil berlari.

“Mencoba menahan atom sambil bergerak seperti mencoba agar gelas air tidak terbalik. Mencoba juga menjaga atom dalam keadaan superposisi adalah seperti berhati‑hati agar tidak berlari terlalu cepat sehingga air memercik.”

– Manetsch

Kemampuan ini merupakan fitur kunci komputer kuantum berbasis atom netral, karena memungkinkan koreksi kesalahan yang lebih efisien dibandingkan qubit superkonduktor.

Penelitian ini menunjukkan atom netral sebagai kandidat kuat untuk membantu kami mengimplementasikan koreksi kesalahan kuantum pada skala ribuan qubit fisik, yang merupakan pencapaian utama berikutnya bagi bidang ini.

“Komputer kuantum harus mengkodekan informasi dengan cara yang toleran terhadap kesalahan, sehingga kami dapat melakukan perhitungan bernilai. Tidak seperti komputer klasik, qubit tidak dapat sekadar disalin karena teorema no‑cloning, sehingga koreksi kesalahan harus mengandalkan strategi yang lebih halus.”

– Bataille

Dengan keadaan superposisi yang tercapai, yang memainkan peran penting dalam pemrosesan dan penyimpanan informasi, tim kini akan bekerja pada entanglement, di mana mereka akan menghubungkan qubit‑qubit dalam array mereka, memungkinkan partikel berperilaku sebagai satu kesatuan. 

Dengan mencapai keadaan entanglement, komputer kuantum akan dapat melakukan perhitungan kuantum penuh dan simulasi. Dengan memanfaatkan entanglement, peneliti juga akan dapat membuat penemuan ilmiah baru.

“Menarik bahwa kami menciptakan mesin untuk membantu kami mempelajari alam semesta dengan cara yang hanya mekanika kuantum dapat ajarkan.”

– Manetsch

New Error-Suppressing Architectures & Hyper-Entanglement Results

Endres dan timnya telah bekerja pada komputasi kuantum selama cukup lama. Dia mengkhususkan diri dalam mengendalikan atom tunggal menggunakan tweezers optik untuk mempelajari sifat dasar sistem kuantum. 

Selain sistem kuantum yang memecahkan rekor yang mengendalikan lebih dari 6.000 atom individu, eksperimen timnya telah menghasilkan teknik baru untuk menghapus kesalahan dalam mesin kuantum dan perangkat baru yang dapat menyediakan jam paling presisi di dunia.

Pada bulan Mei tahun ini, mereka mempublikasikan sebuah studi⁴ yang menangani masalah gerakan bergoyang atom, yang membuatnya sulit untuk mengendalikan sistem. Apa yang mereka lakukan adalah mereka menggunakan masalah tersebut untuk mengkodekan informasi kuantum.

“Kami menunjukkan bahwa gerakan atom, yang biasanya diperlakukan sebagai sumber kebisingan yang tidak diinginkan dalam sistem kuantum, dapat diubah menjadi kekuatan.”

Penulis utama studi, Adam Shaw

Eksperimen mereka mengkodekan informasi kuantum dalam gerakan atom dan menghasilkan keadaan hyper‑entanglement.

Ini berarti keadaan elektronik individu dan keadaan gerakan pasangan atom yang hyper‑entangled saling berkorelasi. Demonstrasi mereka, pertama kalinya hyper‑entanglement pada partikel bermassa seperti atom netral atau ion, lebih lanjut menyiratkan bahwa lebih banyak sifat dapat ter‑entanglement secara simultan.

“Ini memungkinkan kami mengkodekan lebih banyak informasi kuantum per atom,” kata Endres. “Anda mendapatkan lebih banyak entanglement dengan sumber daya yang lebih sedikit.”

Untuk eksperimen mereka, mereka mendinginkan array atom netral alkali‑earth individu yang terperangkap di dalam tweezers optik, memperlihatkan bentuk pendinginan baru melalui “deteksi dan koreksi aktif selanjutnya dari eksitasi termal gerakan.”

Tim pada dasarnya mengukur gerakan setiap atom dan kemudian, tergantung pada hasilnya, menerapkan operasi atom‑per‑atom.

Teknik ini membuat atom‑atom hampir berhenti total. Atom‑atom kemudian dipaksa berosilasi dengan amplitudo 100 nanometer, yang mengexcite mereka menjadi dua osilasi terpisah pada saat yang sama, menyebabkan gerakan berada dalam keadaan superposisi. 

Atom‑atom individu kemudian di‑entanglement dengan atom pasangan, yang selanjutnya di‑hyper‑entanglement untuk mengkorelasi gerakan dan keadaan elektronik atom‑atom tersebut.

“Intinya, tujuan di sini adalah mendorong batas seberapa banyak kami dapat mengendalikan atom‑atom ini. Kami pada dasarnya membangun sebuah kotak perkakas: Kami tahu cara mengendalikan elektron dalam atom, dan kini kami belajar mengendalikan gerakan eksternal atom secara keseluruhan. Ini seperti mainan atom yang telah kami kuasai sepenuhnya.”

– Endres

Dalam studi lain dari Caltech, tim ilmuwan di Caltech Center for Quantum Computing di kampus universitas menunjukkan arsitektur chip kuantum baru⁵ yang dirancang untuk menekan kesalahan. 

“Agar komputer kuantum berhasil, kita membutuhkan tingkat kesalahan sekitar satu miliar kali lebih baik daripada saat ini,” kata Oskar Painter, kepala perangkat keras kuantum di AWS dan profesor fisika di Caltech. Sementara tingkat kesalahan menurun, penurunan itu terjadi lambat, “sekitar faktor dua setiap dua tahun,” sehingga untuk mempercepat proses ini, mereka mengembangkan arsitektur chip baru, meskipun itu “sebuah blok bangunan awal.”

Para peneliti menggunakan cat qubit, yang secara signifikan mengurangi kesalahan bit‑flip, dengan kesalahan phase‑flip menjadi satu‑satunya yang tersisa untuk dikoreksi. Ini berarti peneliti dapat menggunakan kode pengulangan. Dalam chip baru mereka yang disebut Ocelot, kode pengulangan klasik berarti tidak memerlukan sebanyak itu qubit untuk memperbaiki kesalahan.

“Kami telah menunjukkan arsitektur yang lebih skalabel yang dapat mengurangi jumlah qubit tambahan yang dibutuhkan untuk koreksi kesalahan hingga 90 persen.“

– Fernando Brandão, seorang profesor Fisika Teoritis di Caltech dan direktur ilmu terapan di AWS

Untuk mencapainya, chip Ocelot menggabungkan lima cat qubit, sirkuit penyangga khusus untuk menstabilkan osilasinya, dan empat qubit pendukung untuk mendeteksi kesalahan fase. Kode pengulangan terbukti efektif menangkap kesalahan phase‑flip, yang meningkat seiring kode bertambah dari tiga menjadi lima cat qubit.

Investing in Quantum Tech

Sekarang, salah satu pemain paling murni dalam komputasi kuantum di pasar adalah IonQ (IONQ ), yang mengadopsi pendekatan trapped‑ion untuk mewujudkan teknologi ini. Apa yang benar‑benar membedakannya adalah gerbang berfidelitas tinggi, integrasi dengan platform cloud utama, akuisisi agresif, dan pertumbuhan paten yang kuat, meskipun biaya skala menjadi tantangan yang besar.

IonQ (IONQ )

Didirikan satu dekade lalu berdasarkan bertahun‑tahun riset di University of Maryland dan Duke University, IonQ mengembangkan komputer kuantum trapped‑ion. Tujuan perusahaan adalah membawa teknologi ini ke aplikasi komersial, industri, dan akademik. 

Untuk itu, perusahaan fokus pada atom terionisasi, yang diyakini dapat memungkinkan komputer mereka melakukan perhitungan lebih canggih lebih lama dan dengan lebih sedikit kesalahan.

Baru bulan ini, IonQ mengklaim telah mencapai fidelitas gerbang dua‑qubit lebih dari 99,9% pada platform pengembangan barium mereka, mendekatkan mereka pada sistem komersial, IonQ Tempo.

Tonggak ini “menandai ambang kritis untuk sistem kelas perusahaan,” kata SVP Engineering and Technology IonQ, Dean Kassmann, mencatat bahwa “semakin baik fidelitas gerbang asli, semakin sedikit koreksi kesalahan dalam semua bentuk yang diperlukan. Fidelitas yang lebih tinggi juga penting untuk aplikasi kuantum yang lebih cepat dan lebih akurat.”

Penggunaan ion barium sebagai qubit adalah pergeseran dari ion ytterbium yang menjadi fokus perusahaan selama sebagian besar sejarahnya. Ion barium dipilih karena kecepatan gerbang yang lebih tinggi, batas fidelitas asli yang lebih tinggi, stabilitas yang lebih baik, kesalahan persiapan/pengukuran (SPAM) yang lebih rendah, dan kinerja keseluruhan yang superior. 

IonQ juga memiliki portofolio paten yang kuat yang kini telah melampaui 1.000, yang menurutnya menempatkan perusahaan untuk mengembangkan sistem yang skalabel, berperforma tinggi, dan biaya‑efektif, mempercepat jalur mereka menuju keunggulan komersial kuantum yang tak tertandingi.

Per 29 Sep 2025, IONQ ditutup pada $64,26 (puncak tertinggi $75,14 pada 23 Sep 2025). Itu sekitar 7,4× di atas penutupan $8,74 pada 30 Sep 2024. Kinerja tahun‑ke‑tahun bervariasi menurut jendela sumber tetapi secara umum ~+50–90%. Kapitalisasi pasar kira‑kira $20–22 Miliar.

Perusahaan memiliki EPS (TTM) sebesar -2,02 dan P/E (TTM) sebesar -33,35.

Mengenai keuangannya, IonQ melaporkan pendapatan $20,7 juta pada kuartal kedua yang berakhir 30 Juni, 2025. Kerugian bersih $177,5 juta. Kas, setara kas, dan investasi pada akhir periode sebesar $656,8 juta.

Selama kuartal ini, perusahaan memperkuat neraca melalui investasi ekuitas terbesar dari satu institusi di industri. IonQ juga menyelesaikan akuisisi perusahaan interkoneksi kuantum Lightsynq dan perusahaan teknologi ruang angkasa Capella, serta mengusulkan akuisisi Oxford Ionics senilai $1,075 miliar.

“Kombinasi keahlian perangkat keras dan perangkat lunak IonQ serta implementasi ion‑trap‑on‑a‑chip Oxford memberikan tim, IP, teknologi, dan momentum untuk mencapai 800 qubit logis pada 2027 dan 80.000 qubit logis pada 2030.”  

– CEO Niccolo de Masi

Pada kuartal kedua, IonQ melaporkan pencapaian percepatan hingga 20× dalam alur kerja kimia komputasi yang dipercepat kuantum (untuk pengembangan obat) bekerja sama dengan AstraZeneca (AZN ), NVIDIA (NVDA ), dan AWS.

Latest IonQ (IONQ) Stock News and Developments

Conclusion

Teknologi kuantum secara luas diharapkan merevolusi industri dengan memecahkan masalah kompleks. Eksperimen rekor di Caltech menunjukkan bahwa komputasi kuantum berskala besar yang dikoreksi kesalahannya mungkin semakin mendekati kenyataan.

Dengan penelitian semacam ini, bersama arsitektur baru, kemajuan material, dan pemain komersial yang mempercepat pengembangan, teknologi kuantum dapat menjadi alat yang dapat diterapkan secara universal dalam beberapa tahun mendatang, memungkinkan terobosan dalam ilmu pengetahuan dan masyarakat.

Klik di sini untuk daftar perusahaan komputasi kuantum teratas.

References

1. Grün, D. S., White, S. J. M., Ortu, A., Di Carli, A., Edri, H., Lepers, M., Mark, M. J. & Ferlaino, F. (2024). Optical Tweezer Arrays of Erbium Atoms. Physical Review Letters, 133, 223402. Diterbitkan 26 November 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402
2. Neven, H. (2024, December 9). Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip. Google Research Blog. Retrieved from https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/
3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., et al. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. Diterbitkan 24 September 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4
4. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., Leung, K. H., Lv, X. & Endres, M. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. (Version of Record), published 24 September 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4
5. Putterman, H., Noh, K., Hann, C. T., et al. (2025). Hardware-efficient quantum error correction via concatenated bosonic qubits. Nature, 638, 927–934. (Version of Record), published 26 Februari 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7