Gelombang Suara Menawarkan Terobosan dalam Penyimpanan Informasi Kuantum

Komputasi kuantum menjanjikan kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam memecahkan masalah kompleks untuk mendorong terobosan di bidang AI, keuangan, logistik, ilmu material, penemuan obat, dan kriptografi.

Namun, meski potensi teknologi ini sangat besar, mewujudkannya tidaklah mudah. ​​Dalam praktiknya, terbukti sangat sulit untuk membuat komputer kuantum berfungsi dan memanfaatkannya guna memecahkan masalah dunia nyata.

Komputasi kuantum masih merupakan teknologi eksperimental, dengan para peneliti kerja dalam mengatasi hambatan untuk melakukan simulasi akurat fenomena tingkat kuantum. Salah satu masalah utama di sini adalah menyimpan informasi untuk waktu yang lama.

Kredensial mikro adalah karena meskipun qubit superkonduktor memiliki kemampuan hebat untuk memproses informasi kuantum, mereka memiliki waktu koherensi yang agak terbatas.

Koherensi adalah kemampuan sistem kuantum untuk mempertahankan hubungan antar-keadaan dalam superposisi. Sifat fundamental ini memungkinkan qubit berada dalam kombinasi linear keadaan basis, memungkinkan paralelisme dan interferensi yang merupakan inti dari komputasi kuantum. 

Penting untuk melakukan operasi kuantum, koherensi agak rapuh dan dapat mudah tersesat melalui interaksi kecil sekalipun dengan lingkungan.

Jika tidak ada koherensi, perilaku kuantum akan hilang oleh qubit, sehingga komputasi kuantum menjadi tidak berarti. Sementara itu, dekoherensi adalah proses hilangnya koherensi, dan hal ini terus menjadi tantangan besar dalam membangun dan mengoperasikan komputer kuantum.

Sekarang, qubit superkonduktor adalah cara fisik untuk mewujudkan qubit, dan mereka bergantung pada pemeliharaan koherensi kuantum agar berfungsi. Tapi tentu saja, dekoherensi tetap menjadi tantangan terbesar mereka.

Qubit superkonduktor adalah sirkuit kecil yang terbuat dari material spesifik, yang memanfaatkan fenomena kuantum seperti superposisi dan keterikatan untuk melakukan perhitungan. Material yang digunakan untuk membuat sirkuit didinginkan hingga hampir nol absolut agar menjadi superkonduktor, yang berarti dapat menghantarkan listrik tanpa hambatan.

Meskipun qubit superkonduktor ini luar biasa dalam perhitungan cepat, mereka kesulitan menyimpan informasi dalam jangka waktu lama.

Namun, antarmuka antara foton dan fonon dapat memungkinkan informasi kuantum untuk disimpan dalam osilator mekanis berumur panjang. Sebuah tim di Caltech telah melakukan hal itu; mereka telah memperkenalkan platform yang bergantung pada gaya elektrostatik dalam struktur skala nano untuk mencapai kopling yang kuat antara qubit dan osilator nanomekanis.

Waktu peluruhan energi (T1) sekitar 25 ms, yang melebihi waktu peluruhan energi dalam sirkuit superkonduktor terintegrasi.

Untuk mengeksplorasi akar dekoherensi sekaligus mengurangi dampaknya, tim menggunakan operasi kuantum. Penggunaan sekuens decoupling dinamis dua pulsa membantu mereka mencapai waktu koherensi (T2) yang lebih panjang, yaitu 1 ms, yang merupakan perpanjangan dari 64 μs.

The temuan dari studi menunjukkan bahwa dalam perangkat superkonduktorosilator mekanis dapat berfungsi sebagai memori kuantum, dengan itu potensi untuk digunakan dalam komputasi kuantum, penginderaan, dan transduksi.

Bagaimana Gelombang Suara Menyimpan Keadaan Kuantum Lebih Lama

Komputer konvensional 'like' laptop dan ponsel menyimpan informasi dalam bentuk bit.

Bit adalah unit informasi digital terkecil, yang merupakan bagian dasar logika yang mengambil nilai biner tunggal nol atau satu.

Sementara itu, komputer kuantum dapat memiliki keadaan nol dan satu di saat yang sama, yang dikenal sebagai superposisi, dan inilah yang melatarbelakangi janji komputasi kuantum untuk memecahkan masalah yang tidak dapat dipecahkan oleh komputer klasik kita.

Banyak komputer kuantum yang ada didasarkan pada sistem elektronik superkonduktor, di mana elektron mengalir tanpa hambatan pada suhu yang sangat rendah. Dalam sistem ini, ketika sifat mekanika kuantum elektron mengalir melalui resonator, mereka menciptakan qubit superkonduktor.

Qubit ini sangat baik dalam menjalankan operasi logis yang diperlukan untuk komputasi. Namun, mereka tidak terlalu baik dalam menyimpan informasi, yang diwakili dengan deskriptor matematika dari sistem kuantum tertentu. 

Untuk meningkatkan waktu penyimpanan keadaan kuantum, para insinyur telah berupaya membangun 'memori kuantum' untuk qubit superkonduktor.

Sebuah tim ilmuwan dari Caltech telah mengambil rute hibrida menuju memori kuantum ini. 

Informasi listrik secara efektif diubah menjadi suara menggunakan pendekatan ini. Untuk menerjemahkan informasi kuantum menjadi gelombang suara, mereka menggunakan perangkat kecil yang berfungsi seperti garpu tala mini.

Kredensial mikro memungkinkan masa hidup keadaan kuantum diperpanjang hingga tiga puluh kali lebih lama dibandingkan teknik lain, meletakkan dasar bagi komputer kuantum yang dapat diskalakan dan praktis dengan kapasitas untuk tidak hanya menghitung tapi ingat juga.

"Begitu Anda memiliki keadaan kuantum, Anda mungkin tidak ingin langsung melakukan apa pun dengannya. Anda perlu memiliki cara untuk kembali ke keadaan tersebut ketika Anda ingin melakukan operasi logis. Untuk itu, Anda memerlukan memori kuantum."

– Mohammad Mirhosseini, asisten profesor teknik elektro dan fisika terapan di Caltech

Didukung oleh pendanaan dari National Science Foundation dan Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara, penelitian ini dipimpin oleh mahasiswa pascasarjana Caltech Alkim Bozkurt dan Omid Golami dan adalah diterbitkan¹ dalam jurnal Nature Physics.

Ini merinci pembuatan qubit superkonduktor pada sebuah chip, yang kemudian terhubung ke perangkat kecil yang disebut osilator mekanis.

Osilator mekanik adalah sistem yang memperlihatkan gerakan osilasi. Hal ini dasarnya garpu tala mini, yang dalam kasus penelitian ini, terdiri dari pelat fleksibel. Piring ini digetarkan menggunakan gelombang suara pada frekuensi gigahertz (GHz).

Ketika tim menempatkan muatan listrik pada pelat fleksibel tersebut, muatan tersebut dapat berinteraksi dengan sinyal listrik yang membawa informasi kuantum, sehingga informasi tersebut dapat ditransmisikan ke dalam perangkat untuk disimpan sebagai "memori" dan kemudian ditransmisikan keluar atau "diingat" nanti.

Para peneliti mengukur berapa lama Diperlukan waktu bagi osilator untuk kehilangan konten kuantumnya setelah informasi memasuki perangkat. 

“Ternyata osilator ini memiliki masa hidup sekitar 30 kali lebih lama daripada qubit superkonduktor terbaik yang ada.”

– Mirhosseini

Metode membangun memori kuantum ini memiliki berbagai manfaat atas teknik lainnya. Gelombang akustik, misalnya, bergerak jauh lebih lambat daripada gelombang elektromagnetik, sehingga memungkinkan perangkat yang lebih ringkas.

Gelombang elektromagnetik (EM) adalah gelombang transversal dari medan listrik dan magnet yang berosilasi yang membawa energi melalui ruang. Mereka dihasilkan oleh percepatan partikel bermuatan dan mencakup spektrum termasuk gelombang radio, gelombang mikro, inframerah, cahaya tampak, ultraviolet, sinar-X, dan sinar gamma. 

Geser untuk menggulir →

Semua EM bergerak dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa dan tidak memerlukan medium untuk merambat.

Sementara itu, gelombang akustik adalah gelombang mekanik, seperti gelombang bunyi, yang mentransmisikan energi melalui medium seperti padat, cair, atau gas dengan menyebabkan partikel-partikel medium bergetar, terkompresi, dan mengembang. Gelombang-gelombang ini berkarakteristik berdasarkan sifat-sifat seperti frekuensi, amplitudo, dan panjang gelombang. Gelombang akustik mencakup berbagai frekuensi, termasuk infrasonik dan ultrasonik.

Karena getaran mekanis, tidak seperti gelombang EM, tidak merambat di ruang bebas, energinya tidak bocor keluar dari sistem. dan bisa dibatasi lebih kuat dalam suatu media, memungkinkan waktu penyimpanan lebih lama dan mengurangi pertukaran energi yang tidak diinginkan antara perangkat di dekatnya.

Manfaat-manfaat ini menawarkan kemungkinan banyaknya garpu tala seperti itu untuk disertakan satu chip tunggal, menyediakan skalabilitas cara ke memori kuantum.

Penelitian ini, menurut Mirhosseini, menunjukkan interaksi minimal antara gelombang akustik dan elektromagnetik. dibutuhkan untuk menyelidiki nilai sistem hibrida ini untuk digunakan sebagai elemen memori. 

"Agar platform ini benar-benar bermanfaat bagi komputasi kuantum, kita harus mampu memasukkan dan mengeluarkan data kuantum ke dalam sistem jauh lebih cepat. Artinya, kita harus menemukan cara untuk meningkatkan laju interaksi tiga hingga sepuluh kali lipat, melampaui kemampuan sistem kita saat ini," ujar Mirhosseini. Dan tim punya ide mengenai bagaimana mencapainya.

Perangkat Keras dan Perangkat Lunak Kuantum: Jalan Menuju Penggunaan Komersial

Perangkat baru yang diciptakan oleh ilmuwan Caltech telah dikerjakan selama beberapa waktu.

Beberapa tahun yang lalu, dalam pekerjaan mereka sebelumnya, tim menunjukkan suara itu, terutama fonon, yang mana partikel getaran individu seperti bagaimana caranya foton adalah, dapat menyediakan cara mudah untuk menyimpan informasi kuantum.

Pada saat itu, kelompok Mirhosseini menunjukkan metode baru di laboratorium, tempat mereka mengeksplorasi fonon karena kemudahan relatif dalam membangun perangkat kecil yang dapat menyimpan gelombang mekanis ini.

Tim menguji perangkat dalam eksperimen yang tampak cocok untuk dipasangkan dengan qubit superkonduktor, karena keduanya bekerja pada frekuensi GHz yang sangat tinggi.

Manusia mendengar dalam rentang hertz hingga kilohertz (hingga ~20 kHz), sedangkan perangkat beroperasi pada gigahertz (miliaran siklus per detik)—sekitar 50,000× lebih tinggi frekuensinya.

Perangkat yang diuji juga memiliki masa pakai yang panjang dan berkinerja baik pada suhu rendah yang diperlukan untuk mempertahankan keadaan kuantum dengan qubit superkonduktor.

Sebagaimana dicatat Mirhosseini saat itu, penelitian lain telah meneliti piezoelektrik, sejenis material khusus, sebagai cara untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dalam aplikasi kuantum. Ia menambahkan:

“Namun, material-material ini cenderung menyebabkan hilangnya energi untuk gelombang listrik dan suara, dan kehilangan energi ini merupakan pembunuh besar dalam dunia kuantum.”

Sebaliknya, teknik baru yang dikembangkan oleh tim Caltech tidak bergantung pada sifat material tertentu dan, dengan demikian, cocok dengan perangkat kuantum berbasis gelombang mikro yang sudah mapan.

Membangun perangkat penyimpanan yang efektif dengan ukuran yang ringkas adalah tantangan lain bagi mereka yang mengeksplorasi aplikasi kuantum.

Tantangan ini juga dibahas dengan metode baru, yang “memungkinkan penyimpanan informasi kuantum dari sirkuit listrik untuk durasi dua kali lipat lebih lama daripada perangkat mekanis kompak lainnya,” kata penulis utama studi Bozkurt, yang merupakan mahasiswa pascasarjana di kelompok Mirhosseini.

Meskipun platform gelombang suara Caltech menjanjikan, itu hanyalah sebagian dari upaya penelitian yang jauh lebih besar yang sedang berlangsung di seluruh dunia, lintas institusi. Para ilmuwan sedang menguji beragam metode untuk mengatasi tantangan dengan komputer kuantum. 

Misalnya saja, para peneliti dari University of Southern California telah beralih ke matematika².

Mereka menggunakan pengabaian untuk memecahkan beberapa masalah dengan qubit topologi. Kelas partikel teoritis ini, yang diberi nama seperti bagaimana mereka berasal dari dari teori yang terabaikan matematika, dapat membuka jalur baru menuju realisasi eksperimen komputer kuantum topologi universal.

“Tujuan saya adalah untuk memberikan argumen yang meyakinkan kepada peneliti lain bahwa kerangka kerja nonsemisimple tidak hanya valid, tetapi juga merupakan pendekatan yang menarik untuk memahami teori kuantum dengan lebih baik.”

– Penulis bersama Aaron Lauda

Sementara itu, dalam pendekatan lain, para ilmuwan mengendalikan cahaya yang dipancarkan oleh titik-titik kuantum, yang dapat menghasilkan teknologi kuantum yang lebih murah, lebih cepat, dan, tentu saja, lebih praktis.

Untuk ini, kolaborasi penelitian menemukan metode baru³ yang mengandalkan eksitasi dua-foton terstimulasi, yang memungkinkan titik-titik kuantum memancarkan aliran foton dalam keadaan polarisasi berbeda tanpa memerlukan perangkat keras peralihan elektronik. Saat diuji, para peneliti mampu untuk berhasil menghasilkan keadaan dua-foton yang sangat baik sementara pemeliharaan sifat foton tunggal yang luar biasa.

"Yang membuat pendekatan ini sangat elegan adalah kami telah memindahkan kompleksitas dari komponen elektronik yang mahal dan menyebabkan kerugian setelah emisi foton tunggal ke tahap eksitasi optik, dan ini merupakan langkah maju yang signifikan dalam menjadikan sumber titik kuantum lebih praktis untuk aplikasi dunia nyata."

– Peneliti utama, Vikas Remesh

Kemudian ada tim dari The Grainger College of Engineering di University of Illinois Urbana-Champaign, yang telah menyajikan desain modular berkinerja tinggi⁴ untuk prosesor kuantum superkonduktor dengan fidelitas ~99%. 

Arsitektur modular, tidak seperti desain monolitik yang restriktif, menawarkan skalabilitas yang lebih besar, peningkatan yang lebih mudah, dan ketahanan terhadap ketidakkonsistenan.

Meskipun sebagian besar upaya masih berfokus pada perangkat keras komputer kuantum, kini terlihat adanya pergeseran ke arah perangkat lunak karena orang-orang percaya bahwa teknologi ini “di ambang menjadi layak secara komersial,” dan karenanya membutuhkan sesuatu yang berguna untuk dilakukan dengannya.

Terkait hal tersebut, perusahaan algoritma kuantum Phasecraft mengumpulkan $34 juta dari beberapa pendukung, termasuk perusahaan investasi yang terkait dengan raksasa farmasi Denmark Novo Nordisk (NVO ). 

Algoritma Phasecraft, CEO-nya, Ashley Montanaro, percaya, akan dapat menjalankan perhitungan yang “penting secara ilmiah” pada “musim semi mendatang,” dan beberapa aplikasi yang berguna secara komersial mungkin tersedia “dalam beberapa tahun mendatang.”

Kini minat terhadap algoritma semakin meningkat. Baru-baru ini, seorang peneliti di Google mengklaim telah merancang pengurangan 20 kali lipat dalam skala komputer kuantum yang diperlukan untuk menjalankan algoritma Shor, yang dapat digunakan untuk memecahkan bentuk enkripsi yang paling banyak digunakan saat ini. 

Sebagai tanggapan, pengembang Hunter Beast telah memperkenalkan BIP 360 dalam upaya membuat Bitcoin (BTC) tahan terhadap komputasi kuantum.

Sementara itu, perusahaan komputasi kuantum Norma memvalidasi kinerja algoritma AI kuantumnya untuk pengembangan obat menggunakan NVIDIA CUDA-Q, dan mengamati kecepatan komputasi sekitar 73 kali lebih cepat.

Berinvestasi dalam Komputasi Kuantum

Banyak nama besar yang melakukan penelitian dalam komputasi kuantum superkonduktor, dan itu termasuk IBM (IBM ), Intel (INTC ), dan masih banyak lagi. Namun hari ini, kita akan membahasnya Honeywell International (HON ), yang sangat terlibat dalam komputasi kuantum melalui saham mayoritasnya di Quantinuum. 

Kuantinum, A Honeywell International (HON ) Perusahaan

Quantinuum adalah perusahaan komputasi kuantum yang dibentuk pada tahun 2021 melalui penggabungan Cambridge Quantum dan Solusi Kuantum Honeywell. Agar mempercepat pengembangan komputer kuantum yang toleran terhadap kesalahan, telah mengamankan pendanaan dari investor 'like' JPMorgan Chase.

Tahun lalu, itu menunjukkan qubit logis paling andal yang pernah tercatat. Quantinuum menerapkan sistem virtualisasi qubit terobosan Microsoft, dengan diagnostik dan koreksi kesalahan, pada perangkat keras perangkap ionnya untuk menjalankan lebih dari 14,000 eksperimen individual tanpa satu kesalahan pun. 

Bulan lalu, Quantinuum diluncurkan dua komponen perangkat lunak sumber terbuka baru, termasuk Guppy, bahasa pemrograman yang dihosting di dalam Python, yang telah dijelaskan oleh CEO-nya, Rajeeb Hazra, sebagai “pergeseran paradigma bagi para pengembang,” dan emulator bernama Selene, yang merupakan “kembaran digital” yang meniru perilaku kuantum bagi para programmer untuk menguji dan men-debug kode mereka.

Platform tumpukan penuh baru ini hadir sebagai persiapan untuk peluncuran komputer kuantum generasi berikutnya dari Quantinuum, Helios.

Jadi, Perusahaan ini mengejar kemajuan dalam perangkat keras dan perangkat lunak kuantum dengan penelitian dan aktivitas komersialnya yang menargetkan AI, keamanan siber, simulasi kimia, dan aplikasi lainnya.

Melalui Quantinuum, Honeywell telah mengembangkan komputer kuantum ion terperangkap, yang menggunakan ion yang terperangkap secara elektromagnetik sebagai qubit untuk komputasi fidelitas tinggi, kepada pelanggan in berbagai sektor, termasuk perawatan kesehatan, keuangan, dan utilitas.

Perusahaan operasi terpadu adalah terutama terlibat dalam tiga megatren, yang mana otomatisasi, penerbangan, dan transisi energi. Sementara itu, ia melayani melalui beberapa segmen utama:

• Teknologi Dirgantara
• Otomasi Industri
• Otomasi Bangunan dan Energi
• Solusi Keberlanjutan

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $139.36 miliar, saham HON, saat penulisan ini, diperdagangkan pada harga $218.40, turun 2.83% YTD. Saham ini memiliki EPS (TTM) sebesar 8.79 dan P/E (TTM) sebesar 24.96. Sementara itu, imbal hasil dividennya adalah 2.06%.

Dari sisi keuangan, Honeywell melaporkan penjualan sebesar $10.4 miliar pada kuartal kedua tahun 2025. Laba per saham (EPS) adalah $2.45, dan EPS yang disesuaikan adalah $2.75.

Selama periode ini, perusahaan menyelesaikan penjualan bisnis APD senilai $1.3 miliar, menyelesaikan akuisisi Sundyne senilai $2.2 miliar, dan mengumumkan akuisisi Bisnis Catalyst Technologies milik Johnson Matthey senilai £1.8 miliar. Perusahaan juga membeli kembali sahamnya senilai $1.7 miliar.

CEO Vimal Kapur mencatat pentingnya memberikan “hasil yang luar biasa” dengan pertumbuhan organik dan EPS yang disesuaikan melampaui panduan meskipun kondisi makroekonomi tidak dapat diprediksi.

"Dengan Otomasi Bangunan yang memimpin, tiga dari empat segmen mengalami peningkatan penjualan lebih dari 5% pada kuartal ini, menunjukkan kekuatan sistem operasi Akselerator kami untuk beradaptasi dengan cepat dan mendorong pertumbuhan bahkan ketika kondisi bisnis berubah," ujar Kapur, seraya mencatat "hasil yang menjanjikan dari peningkatan fokus kami pada inovasi produk baru, yang semakin mendukung pertumbuhan backlog kami."

Kesimpulan

Komputasi kuantum dapat menghasilkan kemajuan signifikan dalam AI, layanan kesehatan, ilmu material, keamanan siber, dan industri lainnya. Namun, kemajuan teknologi ini tidak hanya bergantung pada kinerja qubit tetapi juga pada kemampuan untuk menyimpan informasi kuantum dengan andal.

Platform Caltech menawarkan rencana untuk mencapai hal tersebut. Dengan mengintegrasikan komputasi dan memori dalam satu chip, pengembangan baru ini semakin mendekatkan bidang ini dengan aplikasi dunia nyata.

Klik di sini untuk daftar lima perusahaan komputasi kuantum terbaik.

Referensi:

1. Bozkurt, AB, Golami, O., Yu, Y., Tian, ​​​​H., & Mirhosseini, M. (2025). Memori kuantum mekanis untuk foton gelombang mikro. Fisika Alam, (publikasi daring lanjutan), diterbitkan 13 Agustus 2025. Diterima 10 Januari 2025; diterima 17 Juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
2. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., dkk. Komputasi kuantum universal menggunakan anyon Ising dari teori medan kuantum topologi non-semisimple. Alam Komunikasi, 16, 6408, diterbitkan 05 Agustus 2025. Diterima 13 Oktober 2024; diterima 18 Juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C., dkk. Pembangkitan keadaan dua foton demultipleks pasif dari titik kuantum. npj Informasi Quantum, 11, 139, diterbitkan 11 Agustus 2025. Diterima 10 April 2025; diterima 25 Juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
4. Mollenhauer, M., Irfan, A., Cao, X., dkk. Jaringan elementer berefisiensi tinggi dari perangkat qubit superkonduktor yang dapat dipertukarkan. Elektronik Alam, 8, 610–619, diterbitkan 27 Juni 2025 (tanggal terbit Juli 2025). Diterima 08 September 2024; disetujui 23 Mei 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3