Komputasi Kuantum Maju Pesat dengan Teknologi Superkonduktor Canggih

Sebagai teknologi yang sedang berkembang, komputasi kuantum memanfaatkan hukum mekanisme kuantum untuk memecahkan masalah kompleks yang berada di luar kapasitas komputer tradisional. 

Komputer kuantum ini menyimpan informasi dalam qubit (atau bit kuantum). Tidak seperti bit klasik, qubit ini dapat berada di luar keadaan biner 0 dan 1 dan, oleh karena itu, dapat melakukan perhitungan jauh lebih cepat. 

Selain itu, qubit ini hadir dalam berbagai bentuk, termasuk qubit ion terperangkap yang menggunakan ion atau atom bermuatan; qubit fotonik yang menggunakan partikel cahaya; dan qubit superkonduktor, yang berupa loop sirkuit dengan arus listrik mengalir di sekitarnya.

Sebagai bagian dari komputasi kuantum ‘solid-state’, qubit superkonduktor pertama kali ditunjukkan pada tahun 1999. Sejak itu, mereka telah berkembang menjadi salah satu bentuk utama teknologi qubit, menawarkan manfaat seperti pengurangan disipasi energi, resistansi rendah, penurunan decoherence, sirkuit kuantum yang dapat diskalakan, operasi qubit berkecepatan tinggi, keadaan qubit yang stabil, kontrol qubit berfidelitas tinggi, dan koreksi kesalahan.

Selama dekade terakhir, komputasi kuantum superkonduktor telah menjadi pilihan populer untuk membangun komputer kuantum fungsional, dan penelitian yang sedang berlangsung membawa kita lebih dekat untuk mewujudkannya. 

Terobosan Terbaru dalam Material Superkonduktor

Minggu ini saja, tim peneliti menerbitkan studi di Science Advances tentang pengembangan material superkonduktor baru untuk komputasi kuantum.

Material superkonduktor baru tersebut merupakan kandidat untuk “superkonduktor topologis,” yaitu tipe yang menggunakan lubang atau keadaan delokalisasi elektron untuk membawa informasi kuantum dan memproses data.

Fisikawan Peng Wei dari University of California memimpin tim peneliti yang menggabungkan tellurium trigonal, sebuah material non-magnetik yang tidak dapat dipertumpahkan pada citra cerminnya, dengan superkonduktor keadaan permukaan yang dihasilkan pada permukaan film tipis emas.

Kombinasi ini menciptakan superkonduktor antarmuka 2D dengan polarisasi spin yang ditingkatkan, memungkinkan eksitasi tersebut berpotensi digunakan untuk membuat sebuah qubit spin yang stabil. Material superkonduktor revolusioner ini memiliki potensi untuk merevolusi skalabilitas dan keandalan komponen komputasi kuantum. 

“Dengan menciptakan antarmuka yang sangat bersih antara material kiral dan emas, kami mengembangkan superkonduktor antarmuka dua dimensi. Superkonduktor antarmuka ini unik karena berada dalam lingkungan di mana energi spin enam kali lebih ditingkatkan dibandingkan dengan superkonduktor konvensional.”

– Wei, seorang profesor associate fisika dan astronomi

Di bawah medan magnet, material tersebut selanjutnya terlihat mengalami transisi, yang menunjukkan penggunaannya sebagai superkonduktor triplet, yang dapat menghasilkan komponen komputasi kuantum yang lebih kuat. Pada dasarnya material ini menjadi lebih kuat pada medan magnet tinggi dibandingkan pada medan magnet rendah. 

Selain itu, dengan menggunakan material non-magnetik untuk antarmuka yang lebih bersih, teknologi baru ini secara alami menekan sumber decoherence, yang merupakan tantangan dalam komputasi kuantum.

Para peneliti juga menunjukkan kemampuan superkonduktor untuk dibuat menjadi resonator gelombang mikro berkualitas tinggi dengan kehilangan rendah, yang merupakan komponen kritis dalam komputasi kuantum. Dengan demikian, hal ini dapat menghasilkan qubit superkonduktor dengan kehilangan rendah. 

Mengingat bahwa mengurangi decoherence atau kehilangan informasi kuantum dalam sistem qubit adalah tantangan terbesar dalam komputasi kuantum, penelitian ini dapat membantu mengembangkan komponen komputasi kuantum yang lebih skalabel dan dapat diandalkan. Menurut Wei:

“Kami mencapai ini dengan menggunakan material yang satu urutan magnitudo lebih tipis daripada yang biasanya digunakan dalam industri komputasi kuantum.”

Resonator gelombang mikro ini memiliki faktor kualitas mencapai 1 juta.

Seminggu sebelum ini, tim yang dipimpin UCLA juga menerbitkan studi yang memperkenalkan material baru yang menunjukkan harapan untuk komputasi kuantum. 

Material tersebut mempertahankan sifat superkonduktornya di bawah medan magnet yang jauh lebih tinggi daripada biasanya dan menunjukkan efek dioda superkonduktor. Efek ini, yang memungkinkan lebih banyak arus mengalir dalam satu arah, biasanya terlihat pada superkonduktor kiral dan jarang terlihat pada superkonduktor tradisional.

Untuk menginduksi perilaku kiral dalam superkonduktor konvensional, para peneliti menciptakan lapisan molekul kiral dan struktur berlapis dengan material 2D tantalum disulfide (TaS2).

Studi ini menampilkan potensi untuk meningkatkan efisiensi dan stabilitas komputasi kuantum serta membuat elektronik konvensional lebih cepat dan lebih hemat energi.

Inovasi dalam Kontrol Qubit dan Skalabilitas

Dengan kemampuan komputer kuantum untuk “mengubah dunia secara drastis,” telah terjadi perlombaan di seluruh dunia untuk membangun komputer kuantum yang praktis.

Namun, salah satu tantangan terbesar yang menghambat pertumbuhan komputer kuantum adalah skalabilitas, yang berarti komputer yang cukup besar dapat menangani masalah dunia nyata. Untuk memiliki komputer kuantum yang dapat menangani masalah berguna, kita membutuhkan lebih banyak qubit atau cara yang dapat diandalkan untuk mengurangi kesalahan yang muncul selama perhitungan.

Jadi, peneliti di Jepang berupaya mengatasi masalah ini dengan meningkatkan jumlah qubit yang dapat dikelola dan mengurangi jumlah qubit yang diperlukan.

Beberapa bulan lalu, para peneliti berhasil menunjukkan rangkaian superkonduktor yang dapat mengontrol banyak qubit pada suhu rendah.

Dalam percobaan ini, sebuah rangkaian superkonduktor ditunjukkan dapat mengontrol beberapa qubit hanya melalui satu kabel menggunakan multiplexing gelombang mikro. Rangkaian ini berpotensi meningkatkan kepadatan sinyal gelombang mikro per kabel sekitar 1.000 kali. Pencapaian ini dapat secara signifikan meningkatkan jumlah qubit yang dapat dikontrol dan berkontribusi pada pengembangan komputer kuantum berskala besar.

Untuk mengurangi perangkat keras yang diperlukan di antara qubit dan elektronik suhu ruang, sebuah ‘cryo-electronics’ inovatif dikembangkan. ‘Cryo-electronics’ adalah elektronik untuk kontrol dan pembacaan qubit yang beroperasi pada suhu kriogenik di dekat qubit. 

Cryo-electronics juga telah terbukti berfungsi pada frekuensi jam tinggi pada empat derajat di atas nol mutlak. Sekarang, fokusnya adalah mengurangi konsumsi energi untuk meminimalkan panas yang dihasilkan di sebelah qubit. 

Fokus lain dari peneliti Jepang adalah menemukan cara untuk memperbaiki kesalahan pemrosesan. Di tengah hal ini, peneliti dari Universitas Princeton mengembangkan teknik fabrikasi untuk komputasi kuantum bebas kesalahan.

Dalam penelitian ini, ilmuwan menciptakan lapisan superkonduktor di atas insulator topologis, tungsten ditelluride (WTe2). Teknik ini menggunakan ‘benih’ logam yang diendapkan (palladium) di atas permukaan insulator untuk membentuk struktur kristal baru, Pd7WTe2, yang menunjukkan resistansi nol.

Teknik penyebaran atom ini berhasil bekerja dengan berbagai bahan, termasuk molybdenum ditelluride (MoTe2).

Meskipun diperlukan pengujian lebih lanjut untuk menentukan apakah ini merupakan superkonduktor topologis, para peneliti percaya superkonduktor baru dapat diciptakan melalui metode umum mereka.

Mengatasi Decoherence dan Meningkatkan Kinerja

Terobosan lain dalam komputasi kuantum muncul awal tahun ini ketika peneliti memperkenalkan pendekatan baru untuk rangkaian superkonduktor. Pendekatan ini berpotensi secara signifikan memperpanjang waktu kerja komputer kuantum.

Seperti yang kami catat, operasi kontinu komputer semacam itu terganggu karena keadaan kuantum qubit mudah tidak stabil. Ini disebut decoherence dan menyebabkan kesalahan dalam perhitungan. Hal ini terjadi karena interaksi dengan qubit lain dan lingkungan mereka.

Dan karena qubit superkonduktor memungkinkan perpindahan antara keadaan berbeda dalam waktu paling singkat, mereka menjadi fokus penelitian yang berkembang. Namun, meskipun mereka dapat meningkatkan waktu perpindahan, mereka juga lebih rentan terhadap decoherence dalam hitungan milidetik.

Jadi, kelompok peneliti internasional mengusulkan desain junction Josephson, yang disebut “flowermon.” Desain ini menggunakan dua lembaran kuprat setebal satu atom, material superkonduktor berbasis tembaga.

“Flowermon memodernisasi ide lama penggunaan superkonduktor tidak konvensional untuk sirkuit kuantum yang terlindungi dan menggabungkannya dengan teknik fabrikasi baru serta pemahaman baru tentang koherensi sirkuit superkonduktor.”

– Uri Vool, seorang fisikawan di Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids di Jerman

Menurut perhitungan tim, desain mereka dapat mengurangi kebisingan dan, pada gilirannya, meningkatkan waktu koherensi qubit berorde magnitudo. Namun, desain ini masih bersifat teoritis, dan tim berencana menggunakan hasilnya untuk mengoptimalkan qubit superkonduktor selanjutnya.

Untuk mengatasi kinerja komputer kuantum, tahun lalu, tim peneliti dari University of Minnesota Twin Cities juga mengembangkan dioda superkonduktor yang dapat disetel, yang tidak hanya membantu meningkatkan skala komputer kuantum tetapi juga meningkatkan sistem kecerdasan buatan. 

Dioda adalah perangkat yang memungkinkan aliran arus dalam satu arah. Meskipun biasanya dibuat dengan semikonduktor, peneliti telah mengeksplorasi pembuatan dioda dengan superkonduktor, yang memungkinkan transfer energi tanpa kehilangan daya.

Penulis senior penelitian  Vlad Pribiag, yang merupakan profesor associate di University of Minnesota School of Physics and Astronomy, mencatat:

“Kami ingin membuat komputer lebih kuat, tetapi ada batas keras yang akan segera kami temui dengan material dan metode fabrikasi kami saat ini.”

Tantangan terbesar untuk meningkatkan daya komputasi adalah disipasi energi, sehingga tim memilih menggunakan teknologi superkonduktor.

Perangkat dioda superkonduktor dibangun menggunakan tiga junction Josephson. Meskipun dibuat dengan menyisipkan potongan material non-superkonduktor di tengah superkonduktor, peneliti di sini menghubungkan superkonduktor dengan lapisan semikonduktor. 

Desain unik ini memungkinkan peneliti mengontrol perilaku perangkat menggunakan tegangan. Ia juga dapat memproses beberapa sinyal listrik sekaligus, tidak seperti dioda biasa yang hanya dapat menangani satu masukan dan satu keluaran. Fitur ini memungkinkan dioda superkonduktor bahkan digunakan dalam komputasi neuromorfik yang terinspirasi otak.

Dalam komputasi neuromorfik, rangkaian listrik dirancang untuk meniru cara kerja neuron di otak manusia guna meningkatkan kinerja.

Menurut Mohit Gupta, penulis pertama makalah ini, dioda superkonduktor baru ini lebih hemat energi dibandingkan dioda superkonduktor lainnya. Lebih spesifik, untuk pertama kalinya, ia dilengkapi dengan serangkaian gerbang untuk mengontrol aliran energi. Fitur ini belum pernah dimasukkan ke dalam dioda superkonduktor sebelumnya, tetapi studi ini telah “menunjukkan bahwa Anda dapat menambahkan gerbang dan menerapkan medan listrik untuk menyesuaikan efek ini.” 

Selain itu, material yang digunakan dalam penelitian ini lebih ramah industri dan mampu memberikan fungsionalitas baru.

Teknik yang digunakan dalam studi ini dapat lebih digunakan dengan setiap superkonduktor, yang membuatnya sangat fleksibel dan kompatibel dengan aplikasi industri. Kualitas ini dapat membantu meningkatkan skala pengembangan komputer kuantum untuk penggunaan yang lebih luas.

“Saat ini, semua mesin komputasi kuantum yang ada masih sangat dasar dibandingkan dengan kebutuhan aplikasi dunia nyata. Skalabilitas diperlukan agar memiliki komputer yang cukup kuat untuk menangani masalah berguna dan kompleks.”

– Pribiag

Ini memiliki signifikansi khusus hari ini karena penggunaan AI meningkat secara substansial. Hal ini telah mendorong orang meneliti algoritma untuk komputer atau mesin AI yang dapat melampaui kinerja komputer klasik. Studi ini, catat Pribiag, sedang mengembangkan perangkat keras untuk memungkinkan komputer kuantum mengimplementasikan algoritma tersebut. 

Penelitian ini didanai terutama oleh United States Department of Energy dengan dukungan parsial dari National Science Foundation dan Microsoft (MSFT ) Research.

Mengecilkan Qubit dengan Material 2D Tanpa Mempengaruhi Kinerja

Penelitian dan pengembangan yang berkelanjutan telah menghasilkan ilmuwan membangun qubit superkonduktor yang jauh lebih kecil daripada qubit biasa. Qubit superkonduktor ini dibangun menggunakan material 2D.

Untuk melampaui kecepatan dan kapasitas komputer klasik, qubit komputer kuantum harus berada pada panjang gelombang yang sama. Untuk mencapai ini, peneliti biasanya harus mengorbankan ukuran qubit, yang bahkan saat ini diukur dalam milimeter, tidak seperti transistor klasik mereka yang telah menyusut menjadi nanometer.

Untuk mengurangi ukuran qubit sehingga tidak memiliki jejak fisik yang besar sambil mempertahankan kinerjanya, James Hone, Profesor Wang Fong-Jen Teknik Mesin di Columbia University, menampilkan sebuah kapasitor qubit superkonduktor yang sangat kecil.

Sebelumnya, insinyur menggunakan kapasitor planar untuk membangun chip qubit. Di sini, pelat bermuatan diletakkan berdampingan, dan meskipun mereka dapat ditumpuk untuk menghemat ruang, hal itu akan mengganggu penyimpanan informasi qubit.

Jadi, mahasiswa PhD Hone, Anjaly Rajendra dan Abhinandan Antony, menyisipkan lapisan isolasi boron nitride di antara dua pelat bermuatan niobium diselenide superkonduktor. Hanya setebal satu atom, lapisan ini diikat oleh gaya van der Waals, interaksi lemah antara gaya elektrostatik. 

Kapasitor kemudian digabungkan dengan rangkaian aluminium untuk membuat sebuah chip. Chip ini memiliki dua qubit dan hanya setebal 35 nanometer, 1.000 kali lebih kecil daripada yang diproduksi dengan pendekatan konvensional.

Saat didinginkan, qubit memperoleh panjang gelombang yang sama. Mereka juga diamati menjadi terjerat dan berperilaku sebagai satu unit. Koherensi kuantum ini, meskipun hanya berlangsung singkat (sedikit lebih dari satu mikrodetik), berarti keadaan kuantum qubit dapat dimanipulasi dan dibaca melalui pulsa listrik. Menurut Hone:

“Kami kini tahu bahwa material 2D mungkin memegang kunci untuk mewujudkan komputer kuantum. Masih sangat awal, tetapi temuan seperti ini akan mendorong peneliti di seluruh dunia mempertimbangkan aplikasi baru material 2D. Kami berharap melihat banyak pekerjaan lebih lanjut dalam arah ini ke depan.”

Berkat struktur unik mereka, material kuantum dua dimensi (2D) telah menandai terobosan signifikan dalam ilmu material. Tidak seperti material 3D, material kuantum 2D hanya satu atau beberapa atom tebal, dan elektron dapat bergerak dalam semua tiga arah.

Beberapa material 2D populer meliputi Silicene, Graphene, Germanene, Stanene, Phosphorene, Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs), dan Hexagonal Boron Nitride (h-BN).

Meskipun material ini menawarkan beragam properti dan potensi untuk aplikasi teknologi transformatif, mereka menghadapi tantangan dalam hal sintesis, integrasi, dan skalabilitas yang perlu diatasi sebelum potensi penuh mereka dapat direalisasikan.

Perusahaan Utama yang Memimpin Revolusi Komputasi Kuantum

Sekarang, mari kita lihat beberapa perusahaan terkemuka yang terlibat dalam superkonduktor dan komputasi kuantum:

#1. Alphabet (Google)

Alphabet (GOOG ) sangat berinvestasi dalam riset komputasi kuantum melalui anak perusahaannya Google Quantum AI. Divisi ini telah menciptakan prosesor kuantum superkonduktor bernama Sycamore, yang pada tahun 2019, dapat menyelesaikan sebuah perhitungan dalam 200 detik yang seharusnya memakan waktu 10.000 tahun bahkan untuk superkomputer yang sangat kuat. Sejak itu, prosesor kuantum Sycamore telah berkembang secara signifikan dan sekarang memiliki 70 qubit, menjadikannya 241 juta kali lebih kuat dibandingkan model sebelumnya.

Raksasa teknologi ini memiliki kapitalisasi pasar sebesar $2,06 triliun, dan sahamnya (GOOGL:NASDAQ) diperdagangkan pada $165,68, naik 18,56% YTD. Untuk Q2 2024, Alphabet melaporkan peningkatan pendapatan bersih sebesar 28,6% menjadi $23,6 miliar, sementara total pendapatan tumbuh 14% menjadi $84,74 miliar. Induk Google juga mengumumkan dividen tunai $0,20 per saham.

#2. NVIDIA Corporation

NVIDIA (NVDA ) telah mengeksplorasi komputasi kuantum dan superkonduktor melalui kemitraan dan kolaborasi. Pada Maret tahun ini, perusahaan mengumumkan percepatan upaya komputasi kuantumnya di situs superkomputer nasional di Jerman, Jepang, dan Polandia dengan platform open-source NVIDIA CUDA-Q™.

Bintang AI di pasar, saham NVIDIA telah mengalami tahun yang luar biasa, terbukti dengan lonjakan 161,24% pada 2024 sejauh ini. Kenaikan ini membuat saham NVDA diperdagangkan pada $129,45, menjadikan kapitalisasi pasar perusahaan $3,188 triliun. Pembuat chip melaporkan rekor Q1 2024, dengan pendapatannya mencapai $22,1 miliar.

Kesimpulan

Jadi, peneliti, organisasi, dan perusahaan di seluruh dunia sedang bekerja untuk memajukan komputasi kuantum, yang unggul dalam pemecahan masalah kompleks. Fokus pada teknologi superkonduktor, khususnya, membantu mendorong kemajuan signifikan dan membawa kita lebih dekat untuk mewujudkan potensi penuh teknologi transformatif ini. 

Klik di sini untuk mempelajari keadaan terkini komputasi kuantum.