Komputasi Kuantum Satu Langkah Lebih Dekat ke Realitas dengan Memanfaatkan Osilator Harmonik

Perlombaan komputer kuantum telah memanas selama beberapa tahun terakhir, dengan penemuan obat, ilmu material, optimisasi, pembelajaran mesin, dan kriptografi menjadi beberapa bidang yang akan direvolusi oleh kemajuannya.

Namun meskipun semua kemajuan, membangun komputer kuantum yang dapat menyelesaikan masalah dunia nyata masih terhambat oleh tiga tantangan besar: 

• Keadaan kuantum yang rapuh
• Meningkatkan skala sambil mempertahankan kontrol
• Mempertahankan koherensi

Sekarang, tim di Chalmers University of Technology di Swedia telah mengambil langkah signifikan dalam mengatasi tantangan ini dan mempercepat pengembangan komputer kuantum praktis. Mereka baru-baru ini menerbitkan metode baru dalam jurnal Nature untuk memanipulasi informasi kuantum menggunakan nonlinieritas yang dapat disetel dalam sirkuit superkonduktor. Ini memungkinkan operasi kompleks pada keadaan kuantum multi-dimensi dilakukan lebih cepat dan lebih akurat daripada sebelumnya.

Membangun Komputer Kuantum Praktis

Di inti komputasi kuantum adalah bit kuantum, atau qubit, unit dasar informasi kuantum. Tidak seperti bit klasik yang hanya 0 atau 1, qubit dapat berada pada 0 dan 1 serta segala nilai di antaranya. Qubit juga dapat terjerat satu sama lain, memungkinkan komputer kuantum melakukan beberapa perhitungan jauh lebih cepat daripada komputer klasik. 

Namun, mencapai kemampuan ini telah menjadi tantangan signifikan. Salah satu masalah terbesar adalah kerapuhan keadaan kuantum. Qubit sensitif terhadap lingkungan mereka dan dengan cepat kehilangan sifat kuantum melalui dekoherensi, yang memperkenalkan kesalahan ke dalam komputasi kuantum dan membatasi kedalaman perhitungan.

Masalah utama lainnya adalah skalabilitas. Saat lebih banyak qubit ditambahkan ke prosesor kuantum, menjadi lebih sulit mengontrol interaksi di antara mereka dan mengimplementasikan gerbang kuantum. Hal ini karena sistem kontrol dan crosstalk antar qubit menjadi lebih kompleks.

Dan ada pertukaran antara koherensi dan kemampuan kontrol. Teknik yang membuat qubit lebih koheren, seperti kode koreksi kesalahan, memerlukan lebih banyak sumber daya dan membatasi beberapa operasi. Sistem yang memiliki kontrol lebih besar atas qubit individu, seperti ion terperangkap atau sirkuit superkonduktor, lebih berisik dan lebih rentan terhadap dekoherensi.

“Bayangkan qubit sebagai lampu biru yang, secara kuantum, dapat menyala dan mati secara bersamaan. Sebaliknya, sistem kuantum variabel kontinu seperti pelangi tak berujung, menawarkan gradasi warna yang mulus. Ini menggambarkan kemampuannya mengakses sejumlah besar keadaan, memberikan kemungkinan yang jauh lebih kaya dibandingkan dua keadaan qubit.”

– Axel Eriksson, peneliti teknologi kuantum di Chalmers University of Technology dan penulis utama studi ini

Klik di sini untuk mempelajari tentang keadaan terkini komputasi kuantum. 

Nonlinieritas yang Dapat Disetel dalam Sirkuit Superkonduktor

Tim Universitas Chalmers, dipimpin oleh Dr. Axel M. Eriksson dan Simone Gasparinetti, telah menyelesaikan masalah ini dengan menggunakan sirkuit superkonduktor. Mereka mengembangkan komponen khusus yang disebut resonator Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL).

SNAIL adalah elemen sirkuit superkonduktor dengan nonlinieritas kuat yang dapat disetel. Ini berupa loop superkonduktor dengan sambungan Josephson, lapisan isolasi tipis yang memungkinkan pasangan Cooper (pasangan elektron terikat) menembus. Dengan menata sambungan secara asimetris, mereka menciptakan elemen sirkuit dengan induktansi nonlinier.

“Kami telah membuat sistem yang melakukan operasi kompleks pada sistem kuantum multi-keadaan lebih cepat daripada sebelumnya.”

– Penulis senior Dr. Simone Gasparinetti, pemimpin 202Q-lab di Universitas Chalmers

Hal utama yang dilakukan tim Chalmers adalah menempatkan resonator SNAIL di dalam sebuah cavity mikrowave superkonduktor, yang merupakan mode bosonik untuk mengkodekan informasi kuantum. Mereka menerapkan pulsa mikrowave ke sistem hibrida ini dan mengaktifkan serta menonaktifkan nonlinieritas pada SNAIL untuk melakukan berbagai operasi kuantum dengan cepat dan akurat.

Komputasi Kuantum Variabel Kontinu

Salah satu hal unik dari pendekatan tim Chalmers adalah melampaui paradigma qubit dan menggunakan keadaan kuantum variabel kontinu (CV).

Dalam sistem kuantum CV, informasi dikodekan dalam kuadratur amplitudo dan fase dari osilator harmonik, seperti medan cavity mikrowave. Kuadratur tersebut dapat mengambil rentang nilai kontinu, tidak hanya 0 dan 1 seperti qubit.

Menurut penulis senior Dr. Simone Gasparinetti, pemimpin 202Q-lab di Universitas Chalmers:

“Kami telah menciptakan sistem yang memungkinkan operasi sangat kompleks pada sistem kuantum multi-keadaan, dengan kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya.”

Pendekatan CV memiliki keunggulan dibandingkan komputasi kuantum variabel diskrit. (i) Pertama, satu mode CV dapat mengkodekan informasi setara beberapa qubit, yang berarti lebih sedikit perangkat keras untuk komputasi kuantum toleran kesalahan. (ii) Kedua, sifat CV memungkinkan kode koreksi kesalahan yang lebih baik, yang diperlukan untuk komputasi kuantum dengan noise dan dekoherensi.

Namun, masalah besar dalam komputasi kuantum CV adalah operasi non-Gaussian, yang diperlukan untuk komputasi kuantum universal. Operasi Gaussian seperti perpindahan dan pemampatan keadaan osilator dapat dilakukan dengan elemen optik linear atau sirkuit mikrowave, tetapi itu tidak cukup untuk percepatan kuantum karena dapat disimulasikan secara klasik.

Operasi non-Gaussian memerlukan interaksi nonlinier, yang jauh lebih sulit dibuat dan dikendalikan. Upaya sebelumnya untuk menggabungkan mode CV dengan elemen nonlinier telah terhalang oleh efek Kerr, yang mengacaukan informasi kuantum dan mengurangi fidelitas operasi.

Tim Chalmers menyelesaikan hal ini dengan merancang nonlinieritas di dalam resonator SNAIL. Mereka mengoperasikan SNAIL pada titik yang disebut “bebas Kerr”, di mana nonlinieritas Kerr yang tidak diinginkan ditekan, dan nonlinieritas orde ketiga yang diperlukan untuk operasi non-Gaussian dipertahankan.

“Komunitas kami sering berusaha menjauhkan elemen superkonduktor dari osilator kuantum, agar tidak mengacaukan keadaan kuantum yang rapuh. Dalam pekerjaan ini, kami menantang paradigma tersebut. Dengan menanamkan perangkat kontrol di inti osilator, kami dapat menghindari kekacauan pada banyak keadaan kuantum sekaligus dapat mengontrol dan memanipulasinya. Sebagai hasilnya, kami menunjukkan rangkaian operasi gerbang baru yang dilakukan dengan kecepatan sangat tinggi.”

– Simone Gasparinetti

Set Gerbang Universal

Untuk menunjukkan apa yang dapat mereka lakukan, mereka telah membuat set gerbang universal pada platform resonator SNAIL mereka. Set tersebut mencakup gerbang Gaussian seperti perpindahan dan pemampatan serta gerbang fase kubik, yang bersifat non-Gaussian.

Gerbang Gaussian dibuat dengan menerapkan pulsa mikrowave pada frekuensi tertentu ke sirkuit SNAIL. Menggerakkan pada frekuensi fundamental menghasilkan perpindahan, dan menggerakkan pada dua kali frekuensi fundamental menghasilkan pemampatan. Itu untuk menyiapkan dan memanipulasi keadaan koheren dan terkompresi, yang merupakan blok untuk pemrosesan informasi kuantum CV.

Gerbang fase kubik dibuat dengan menggabungkan interaksi “trisqueezing” (menggerakkan pada tiga kali frekuensi fundamental) dengan penggerak pada frekuensi lebih rendah. Itu memberikan pergeseran fase nonlinier pada keadaan osilator yang proporsional dengan kubik amplitudo, sehingga dinamakan “fase kubik”.

Gerbang fase kubik diperlukan untuk komputasi kuantum CV universal karena ia menghasilkan keadaan sangat non-klasik seperti keadaan Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP), yang digunakan untuk koreksi kesalahan kuantum toleran kesalahan. Gerbang fase kubik bersama gerbang Gaussian menghasilkan keadaan non-Gaussian deterministik yang disebut “keadaan fase kubik”.

Gerbang yang dibuat oleh tim Chalmers dibuat dengan pulsa sependek puluhan nanodetik. Itu 10-100 kali lebih cepat dibandingkan implementasi sebelumnya dengan kopling qubit-osilator dispersif. Hal ini disebabkan oleh nonlinieritas kuat pada resonator SNAIL.

Persiapan Keadaan Fase Kubik Deterministik

Contoh lain adalah tim Chalmers yang menggunakan set gerbang universal mereka untuk membuat keadaan kuantum sangat non-klasik yang disebut keadaan fase kubik. Keadaan fase kubik diperlukan untuk koreksi kesalahan kuantum, metrologi kuantum, dan komputasi kuantum berbasis pengukuran CV.

Persiapan keadaan fase kubik dilakukan dengan menerapkan gerbang pada keadaan dasar (vakum) resonator SNAIL. Pertama, gerbang pemampatan 20 ns diterapkan untuk membuat keadaan vakum terkompresi. Kemudian, gerbang fase kubik 40 ns diterapkan pada keadaan terkompresi tersebut, dan voilà, sebuah keadaan fase kubik dengan kubisitas 0,11.

Keadaan tersebut dikarakterisasi dengan tomografi Wigner, yang menghasilkan distribusi ruang-fase dari keadaan kuantum. Fungsi Wigner menunjukkan nilai negatif yang kuat, yang bersifat non-klasik dan tidak dapat terlihat pada keadaan osilator klasik mana pun.

Fidelitas keadaan fase kubik terhadap keadaan target adalah 92%. Mereka menunjukkan bahwa kubisitas keadaan dapat ditingkatkan hanya dengan memperpanjang durasi gerbang fase kubik. Itu jauh lebih baik daripada metode persiapan keadaan sebelumnya, yang memerlukan optimasi ulang penuh urutan kontrol untuk setiap nilai kubisitas.

Ruang untuk Perbaikan dan Pekerjaan Masa Depan

Meskipun apa yang telah dilakukan tim Chalmers sudah patut dipuji, masih ada banyak yang harus dilakukan:

Resonator SNAIL

Salah satu keterbatasan operasi kuantum adalah waktu koherensi resonator SNAIL. Mereka memiliki waktu koherensi beberapa mikrodetik, yang cukup untuk saat ini, tetapi waktu koherensi yang lebih panjang akan memungkinkan sirkuit kuantum yang lebih kompleks dan lebih dalam. Mengoptimalkan parameter sirkuit SNAIL untuk mengurangi noise fluks serta melindungi dan menyaring lingkungan mikrowave adalah cara untuk meningkatkan koherensi.

Ini meliputi:

• Waktu koherensi resonator SNAIL (beberapa mikrodetik cukup untuk saat ini, tetapi yang lebih panjang akan memungkinkan sirkuit yang lebih kompleks)
• Mengoptimalkan parameter sirkuit SNAIL untuk mengurangi noise fluks
• Melindungi dan menyaring lingkungan mikrowave

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana pemancar kuantum dan laser inframerah dapat membantu kami membangun generasi berikutnya dari komputer kuantum.

Skalabilitas

Bidang lain yang perlu ditingkatkan adalah skalabilitas. Eksperimen dilakukan dengan satu SNAIL, tetapi komputer kuantum skala besar membutuhkan banyak SNAIL. Untuk meningkatkan skala, dapat digunakan beberapa SNAIL, masing-masing terhubung ke cavity mikrowave masing-masing. Pengaturan ini memungkinkan penciptaan gerbang multi-qubit dan keadaan terjerat dengan merancang kopling antar cavity. Namun, hal itu memerlukan kontrol atas fabrikasi dan penyetelan SNAIL agar homogen dan dapat direproduksi.

• Skalabilitas (satu SNAIL saat ini, tetapi komputer kuantum skala besar membutuhkan banyak)
• Serangkaian SNAIL, masing-masing dengan cavity mikrowave sendiri
• Gerbang multi-qubit dan keadaan terjerat di seluruh array melalui kopling antar cavity
• Kontrol atas fabrikasi dan penyetelan SNAIL agar homogen dan dapat direproduksi

Selain meningkatkan jumlah mode CV, kami juga perlu meningkatkan jumlah foton di setiap mode. Nonlinieritas resonator SNAIL menyimpang dari perilaku idealnya pada jumlah foton yang lebih tinggi, yang membatasi ukuran ruang Hilbert komputasi.

Salah satu cara mengatasinya adalah dengan menggunakan desain multi-SNAIL di mana nonlinieritas setiap SNAIL dirancang untuk saling meniadakan pada orde lebih tinggi sambil mempertahankan interaksi orde rendah.

Kemajuan lain yang memungkinkan meliputi:

• Lebih banyak mode CV
• Lebih banyak foton di setiap mode
• Nonlinieritas pada resonator SNAIL membuatnya menyimpang dari perilaku ideal pada jumlah foton yang lebih tinggi
• Membatasi ukuran ruang Hilbert komputasi
• Desain Multi-SNAIL: nonlinieritas setiap SNAIL meniadakan pada orde lebih tinggi sambil mempertahankan interaksi orde rendah

Ke depan, tim Chalmers ingin mengintegrasikan platform resonator SNAIL mereka dengan arsitektur komputasi kuantum lain untuk membuat sistem hibrida. Misalnya, interaksi yang dimediasi SNAIL dapat digunakan untuk menjalin keterikatan antara qubit superkonduktor dan mode CV guna menghasilkan keadaan multi-qubit yang kompleks. Gerbang CV yang cepat dan efisien dalam pekerjaan ini dapat digunakan untuk koreksi kesalahan kuantum pada qubit yang terkodekan, dan hal itu akan menghasilkan prosesor kuantum yang lebih kuat dan skalabel.

Salah satu prospek menarik yang dapat dinantikan adalah mengintegrasikan platform resonator SNAIL dengan sistem kuantum optik. Sirkuit superkonduktor cocok untuk komputasi kuantum, yang beroperasi pada frekuensi mikrowave dan suhu kriogenik. Sebaliknya, sistem kuantum optik, yang berfungsi pada suhu ruang, ideal untuk komunikasi kuantum jarak jauh. Dengan mengembangkan konverter frekuensi kuantum, kita dapat menggabungkan keunggulan kedua dunia untuk menciptakan komputer kuantum yang skalabel dan terhubung dalam jaringan.

Kesimpulan

Apa yang telah dicapai tim Chalmers merupakan kemajuan besar bagi komputer kuantum praktis. Mereka telah menggunakan nonlinieritas yang dapat disetel dalam sirkuit superkonduktor untuk mengembangkan komputer kuantum yang efisien secara perangkat keras dan dapat dikontrol, mampu melakukan operasi kompleks pada keadaan kuantum multidimensi dengan cepat dan akurat.

Ini merupakan paradigma baru dalam komputasi CV-NISQ. Resonator SNAIL dapat menyelesaikan masalah sulit dalam kimia kuantum, optimisasi, dan pembelajaran mesin. Seiring teknologi ini matang dan berskala, ia akan membuka aplikasi yang tidak mungkin dilakukan dengan komputer klasik.

Namun, membangun komputer kuantum berskala besar dan toleran kesalahan masih menghadapi tantangan signifikan, termasuk waktu koherensi sirkuit superkonduktor, jumlah qubit dan mode CV, serta antarmuka antar platform komputasi kuantum.

Meskipun tantangan ini, komputasi kuantum sebagai ilmu terapan telah berkembang pesat, dan tim Chalmers memainkan peran penting dalam mendorong batasannya. Mereka telah menambah alat dalam kotak peralatan komputasi kuantum dan menunjukkan cara baru untuk menggunakan mekanika kuantum. Sekarang, kita satu langkah lebih dekat ke komputasi kuantum yang dapat diakses.

Seiring teori dan eksperimen bergerak lebih cepat, masa depan komputasi kuantum belum pernah tampak lebih baik. Komputer kuantum akan memberikan percepatan eksponensial untuk berbagai tugas komputasi di bidang seperti penemuan obat, desain material, kriptografi, dan kecerdasan buatan. Dipadukan dengan kemajuan teknologi seperti AI, perkembangan ini meyakinkan kita bahwa dunia berada di ambang perubahan transformatif yang sulit dibayangkan sepenuhnya.

Klik di sini untuk daftar lima perusahaan komputasi kuantum terbaik.