Tonggak Chip Kuantum Membangkitkan Antusiasme untuk Masa Depan Komputasi

Tonggak Baru Komputasi Kuantum

Komputasi kuantum merupakan salah satu arah penelitian penting dalam teknologi. Berbeda dari pendekatan komputasi lain di luar silikon, seperti grafena, fotonika, atau organoid biologis, komputasi kuantum memanfaatkan keadaan dan operasi kuantum. Bahan atau perangkat keras tertentu tidak dengan sendirinya menentukan apakah sistem itu kuantum.

Bit klasik memiliki nilai 0 atau 1. Keadaan qubit dapat berupa superposisi kedua keadaan basis, dengan amplitudo yang menentukan probabilitas pengukuran. Pengukuran tidak langsung memberikan semua kemungkinan jawaban. Untuk masalah tertentu, algoritme kuantum berpotensi lebih efisien daripada algoritme klasik.

Google melaporkan bahwa Willow menjalankan tolok ukur khusus dalam sekitar lima menit, dengan perkiraan simulasi klasik tertentu memerlukan sekitar 10²⁵ tahun. Angka ini adalah estimasi untuk tugas khusus dan metode pembanding yang digunakan, bukan bukti bahwa semua perhitungan menjadi lebih cepat atau bahwa aplikasi praktis sudah tersedia.

Hasil koreksi kesalahan juga menunjukkan kemajuan menuju sistem yang dapat diskalakan. Makalahnya diterbitkan daring di Nature pada Desember 2024 dengan judul ”Koreksi kesalahan kuantum di bawah ambang kode permukaan”. Terbitan jurnalnya berada dalam volume tahun 2025.

Kenali Willow

Chip Google yang dimaksud bernama Willow.

Sumber: Google

Willow melanjutkan pengembangan chip Google sebelumnya, termasuk Foxtail, Bristlecone, dan Sycamore.

Sumber: Google

Untuk menguji kinerja, Google menggunakan tolok ukur pengambilan sampel rangkaian acak (random circuit sampling/RCS). Tugas ini mengukur kemampuan menghasilkan sampel dari rangkaian kuantum acak dan membandingkannya dengan upaya simulasi klasik. Ini bukan sekadar menghitung jumlah qubit yang setara dengan komputer biasa.

Sumber: Google

Kemajuan menuju skalabilitas

Keadaan kuantum mudah terganggu lingkungan dan operasi yang tidak sempurna. Koherensi, galat kendali, serta pengukuran menjadi tantangan utama.

Willow memakai qubit superkonduktor yang memerlukan suhu sangat rendah. Tidak semua komputer kuantum memakai superkonduktor atau persyaratan pendinginan yang sama; ada pula platform ion terperangkap, atom netral, foton, dan lainnya.

Julian Kelly, pemimpin perangkat keras kuantum Google, menekankan perlunya melindungi informasi kuantum dari lingkungan dan dari gangguan akibat operasi pada sistem.

Menambah qubit fisik tanpa kendali galat dapat memperbesar tantangan. Namun hubungan jumlah qubit dan galat tidak selalu berupa efek domino sederhana; hasilnya bergantung pada arsitektur, kualitas operasi dan kode koreksi.

Kemajuan penting Willow adalah demonstrasi penurunan galat logis ketika ukuran kode koreksi diperbesar dalam kondisi di bawah ambang.

Presentasi Google berikut menjelaskan eksperimen dan kinerja Willow:

Koreksi Kesalahan

Koreksi kesalahan kuantum menyandikan informasi sebuah qubit logis ke beberapa qubit fisik. Pengukuran sindrom mendeteksi tanda-tanda galat tanpa langsung membaca informasi logis yang dilindungi.

Dekoder memakai hasil tersebut untuk menafsirkan atau memperbaiki galat. Ini bukan sekadar menyetel ulang qubit yang buruk agar sama dengan qubit lain.

Sumber: Google

Kalibrasi perangkat tetap penting untuk mengurangi galat fisik, tetapi kalibrasi dan koreksi kesalahan kuantum adalah proses yang berbeda.

Ambang Koreksi Kesalahan Kuantum

Di bawah ambang yang relevan untuk kode dan model galatnya, memperbesar kode dapat membuat galat logis lebih kecil. Willow menunjukkan perilaku ini untuk kode permukaan dalam eksperimen tertentu; klaim tersebut tidak berarti semua komputasi kuantum telah bebas galat.

Google menguji kisi qubit data 3×3, 5×5, dan 7×7 beserta qubit pengukuran terkait. Dalam eksperimen ini, peningkatan ukuran kode menurunkan galat logis sekitar separuh pada setiap tahap.

Google Quantum AI

Sumber: Google

Hasil tersebut menunjukkan bahwa penambahan sumber daya untuk kode dapat meningkatkan keandalan memori logis ketika galat fisiknya cukup rendah.

Waktu koherensi qubit adalah salah satu parameter penting, bersama fidelitas gerbang, pengukuran, kebocoran, dan karakter galat lainnya.

Google melaporkan waktu koherensi sekitar 100 mikrodetik pada Willow, dibandingkan sekitar 20 mikrodetik untuk Sycamore 2019. Angka bergantung pada metrik dan qubit yang diukur.

Perbaikan koherensi mendukung kinerja, tetapi bukan hukum Moore baru atau jaminan peningkatan eksponensial untuk semua aplikasi.

Google menggambarkan hasil di bawah ambang ini sebagai langkah menuju qubit logis yang dapat diskalakan. Hasilnya menjanjikan, tetapi memori logis yang lebih andal belum sama dengan komputer toleran galat besar untuk aplikasi komersial.

Google Quantum AI

Kemajuan tersebut didukung oleh pengembangan perangkat, fabrikasi, kendali, kalibrasi, dan perangkat lunak Google selama bertahun-tahun.

Dari Qubit Fisik ke Qubit Logis

Qubit logis adalah informasi yang dikodekan dalam beberapa qubit fisik untuk melindunginya dari galat. Algoritme toleran galat memerlukan operasi logis yang memadai, bukan hanya memori.

Jumlah qubit fisik per qubit logis bergantung pada kualitas perangkat, kode, target galat dan algoritme. Angka 1.000 atau 200 bukan aturan tetap yang telah berlaku untuk setiap qubit logis Willow.

Willow memiliki 105 qubit fisik. Sebagian dipakai dalam demonstrasi memori logis berkode; ini bukan 105 qubit logis.

Langkah Selanjutnya

Eksperimen ini memperkuat dasar untuk memperbesar kode permukaan. Penurunan galat bergantung pada tetap terpenuhinya kondisi di bawah ambang saat perangkat diperluas.

Langkah berikutnya mencakup lebih banyak qubit berkualitas tinggi, operasi logis, koreksi kesalahan waktu nyata dan pengurangan galat berkorelasi. Willow sudah mendemonstrasikan memori logis; chip berikutnya bukan harus menjadi yang pertama memiliki satu qubit logis.

Tantangan lain adalah menjalankan operasi antar-qubit logis dan menghubungkan bagian-bagian sistem tanpa menambah terlalu banyak galat.

Komputasi kuantum sudah ada sebagai bidang eksperimen. Yang masih dikembangkan adalah sistem toleran galat berskala besar dengan kegunaan praktis dan biaya yang layak; skalanya tidak dapat ditambah sesuka hati.

Kami sebelumnya membahas beberapa pendekatan lain yang dapat mendukung penelitian, misalnya:

• Resonator Nanomekanik, untuk meneliti pengukuran dan interaksi sistem kuantum.
• Resonator Superkonduktor Nonlinier Asimetris Induktif (SNAIL), untuk operasi pada keadaan mode osilator dan pendekatan variabel kontinu, yang berbeda dari qubit dua tingkat.
• Material superkonduktor yang lebih baik, untuk membantu pengembangan perangkat yang lebih stabil.

Willow merupakan kemajuan penting, tetapi bukan satu-satunya pendekatan menuju komputasi kuantum praktis atau bukti bahwa komputer komersial besar sudah siap.

Hartmut Neven, pemimpin Google Quantum AI, juga menekankan bahwa aplikasi komersial memerlukan pengembangan lebih lanjut:

Ia memperkirakan kegunaan awal dapat mencakup simulasi sistem kuantum, dengan kemungkinan manfaat bagi material, baterai, penelitian obat dan bidang lainnya. Perkiraan waktu menjelang akhir dekade adalah pandangan pengembangan, bukan jadwal yang terjamin.

Aplikasi

Komputasi kuantum berpotensi membantu beberapa jenis masalah. Manfaatnya bergantung pada algoritme, perangkat, pemuatan data dan perbandingan dengan metode klasik terbaik.

• Pemodelan Biokimia: Simulasi struktur elektronik dan molekul tertentu berpotensi membantu riset biokimia. Ini tidak berarti seluruh masalah pelipatan protein atau ekspresi gen otomatis dapat diselesaikan lebih cepat.
• Pemodelan Iklim: Model iklim sangat kompleks. Algoritme kuantum untuk bagian tertentu masih diteliti; belum ada bukti bahwa Willow menggantikan superkomputer untuk prakiraan iklim menyeluruh.
• Semikonduktor: Simulasi sifat material dan perangkat mungkin membantu desain semikonduktor. Fenomena kuantum pada skala kecil tidak berarti setiap tahap perancangan chip membutuhkan komputer kuantum.
• Ilmu Material: Simulasi atom dan elektron dapat membuka peluang memahami material baterai, manufaktur dan teknologi lainnya, jika perangkat dan algoritmenya memadai.
• Kriptografi: Komputer kuantum toleran galat yang cukup besar dapat mengancam skema kunci publik tertentu, seperti RSA dan kriptografi kurva eliptik. Tidak semua kriptografi akan menjadi usang. Kriptografi pascakuantum dirancang untuk menghadapi ancaman ini.

Risiko

Risiko keamanan informasi perlu diperhatikan sejak dini, termasuk penyimpanan data terenkripsi untuk didekripsi di masa depan.

Pengumuman Willow memicu pembahasan tentang Bitcoin dan tanda tangan digital. Eksperimen Willow sendiri tidak menunjukkan kemampuan memecahkan kunci Bitcoin atau sistem perbankan.

Ancaman masa depan terhadap skema kunci publik juga relevan bagi lembaga keuangan dan infrastruktur digital. Tingkat risiko bergantung pada algoritme, parameter, penggunaan kunci dan waktu migrasi.

Komunikasi pemerintah dan sistem penting lainnya juga memerlukan perencanaan transisi. Tidak tepat menyimpulkan bahwa satu komputer akan langsung menembus seluruh lapisan pengamanan atau mengendalikan kode peluncuran nuklir.

Pada Februari 2024, Apple (AAPL ) memperkenalkan protokol PQ3 untuk iMessage, yang memadukan teknik klasik dan pascakuantum. Tujuannya adalah ketahanan terhadap ancaman kuantum, bukan jaminan mutlak ”kebal kuantum”. Migrasi organisasi lain memiliki persyaratan tersendiri.

Willow bukan ancaman langsung terhadap kunci kriptografi yang digunakan secara luas. Meski waktu menuju mesin pemecah kriptografi masih tidak pasti, perencanaan dan penerapan standar pascakuantum tetap relevan sekarang.

Perusahaan Komputasi Kuantum

Google mengembangkan komputasi kuantum melalui Google Quantum AI dan kampusnya di Santa Barbara.

Pada 2019, Google melaporkan tugas pengambilan sampel Sycamore selesai dalam sekitar 200 detik, dengan estimasi klasik awal 10.000 tahun. Algoritme dan perangkat klasik kemudian membaik, sehingga angka tersebut bukan perbandingan yang berlaku selamanya.

Hasil Willow menunjukkan kemajuan perangkat dan koreksi kesalahan. Perbandingan lintas chip tetap harus memperhatikan jenis tugas dan metode klasik pembanding.

Perangkat lunak, kendali, fabrikasi dan desain algoritme semuanya berperan. Keberhasilan Google dalam pencarian atau Android tidak otomatis menjamin keunggulan komersial kuantum.

Google Quantum AI menyediakan perangkat lunak dan sumber daya untuk membantu penelitian algoritme dan eksperimen.

Google juga mengundang peneliti, insinyur dan pengembang untuk memanfaatkan perangkat lunak sumber terbuka serta sumber belajar, termasuk kursus baru di Coursera, guna memahami dasar koreksi kesalahan kuantum dan membantu pengembangan algoritme.

Pendekatan terbuka, perangkat keras dan layanan komputasi memberi Google peluang berperan dalam ekosistem kuantum. Standar dan arah bidang ini tetap dibentuk banyak peneliti dan perusahaan.

Di luar kuantum, Alphabet (GOOG ) mengembangkan AI dan bisnis seperti Waymo. Potensi pendapatan masa depan harus dibedakan dari hasil yang sudah terealisasi, sementara pencarian dan iklan tetap penting bagi bisnisnya.