Pusat Data Kuantum Stratosferik: Awan Berikutnya

Bagaimana jika “cloud computing” menjadi harfiah? Para ilmuwan sedang mengeksplorasi penerapan komputer canggih di stratosfer untuk mengatasi salah satu masalah inti komputasi kuantum.

Jika diterapkan, cara unik ini cara untuk menyelesaikan masalah dapat menghemat biaya pendinginan dan sepenuhnya mengubah cara kita mengetahui dan memikirkan tentang ‘cloud computing.’

Meningkatnya Biaya Pendinginan Pusat Data Kuantum

Komputer kuantum adalah sejenis komputer yang memanfaatkan mekanika kuantum untuk melakukan perhitungan kompleks jauh lebih cepat daripada komputer klasik.

Berbeda dengan komputer klasik, yang menyimpan dan memproses data dalam bit (yaitu nol atau satu), komputer kuantum menggunakan qubit yang dapat berada dalam banyak keadaan secara bersamaan, fenomena yang disebut superposisi, dan juga dapat terhubung bersama, fenomena disebut keterikatan. Properti ini memungkinkan komputer kuantum menjelajahi banyak kemungkinan secara simultan.

Dengan qubit sebagai unit data fundamental mereka, komputer kuantum dapat melakukan komputasi paralel tingkat lanjut dan menikmati kapasitas penyimpanan yang jauh meningkat. Namun, qubit sangat sensitif terhadap kebisingan lingkungan, seperti panas, getaran, dan interferensi elektromagnetik.

Mereka sangat rapuh dan, karena itu, dipertahankan pada suhu yang sangat rendah untuk mencegah kesalahan yang disebabkan oleh kebisingan dan memastikan fungsi yang tepat.

Sebagian besar sistem kuantum sebenarnya beroperasi pada suhu serendah beberapa mK hingga 10K.

Jadi, meskipun pusat data kuantum (QDC) memiliki potensi untuk menyelesaikan tugas dua kali lebih cepat daripada sebuah tradisional satu, mereka mengonsumsi sepuluh kali lebih banyak energi karena penggunaan sistem pendinginan kriogenik yang intensif energi.

Akibatnya, ada kebutuhan untuk meneliti aspek termodinamika QDC dalam rangka mengurangi konsumsi energi pendinginan pada pusat data ini.

Beberapa teknik pendinginan utama yang digunakan di pusat data untuk chip kuantum meliputi pendinginan laser, refrigerasi pencairan, dan refrigerasi tabung pulsa, dengan teknologi canggih seperti penggunaan efek magnetokalorik (fenomena di mana material magnetik memanas ketika medan magnet diterapkan dan mendingin ketika medan dihilangkan) dalam supersolid yang juga semakin populer.

Teknik lain melibatkan perendaman sirkuit kuantum dalam fluida kriogenik langka Helium-3, yang menjadi superfluida pada suhu sangat rendah dan menunjukkan sifat kuantum yang unik.

Namun, mencapai dan mempertahankan lingkungan kriogenik untuk qubit membutuhkan biaya dan energi yang besar, menjadi hambatan utama bagi adopsi komputasi kuantum dan skala teknologi yang berkembang pesat ini.

Hal ini memanggil pendekatan rekayasa inovatif yang dapat memungkinkan komputasi kuantum berperforma tinggi.

Sebuah studi dari peneliti KAUST telah melakukan hal itu dengan mengusulkan penempatan prosesor kuantum pada Platform Ketinggian Tinggi (HAP) di stratosfer. Prosesor akan ditempatkan pada balon udara yang terbang melalui stratosfer pada ketinggian sekitar 20 kilometer (12,4 mil), di mana suhu lingkungan adalah -50°C (sekitar -58 °F). 

Dengan memanfaatkan kondisi dingin alami ini, para peneliti bertujuan mengurangi kebutuhan pendinginan QDC secara signifikan dan memungkinkan komputasi kuantum berkelanjutan dengan performa tinggi.

Mengubah Balon Udara Menjadi Pusat Data Kriogenik Bertenaga Surya

Usulan baru dari peneliti di King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) Arab Saudi , dipublikasikan dalam jurnal npj Wireless Technology¹, menjelaskan kerangka kerja baru untuk menempatkan komputer kuantum di stratosfer menggunakan balon udara, atau blimp.

Ini juga menunjukkan bahwa pendekatan unik mereka untuk komputasi kuantum hijau yang dapat ditempatkan secara fleksibel di atmosfer atas menawarkan efisiensi energi yang superior. Lebih lagi, sistem ini berkinerja komputasi lebih baik dibandingkan pusat data tradisional di darat.

“Dengan beroperasi di atas awan dan sistem cuaca, balon udara memiliki akses ke radiasi matahari yang dapat diprediksi dan tidak terhalang.”

– Penulis utama, Basem Shihada dari KAUST

Untuk memanfaatkan kondisi dingin stratosfer, tim mengusulkan Platform Ketinggian Tinggi yang Ditenagai Komputasi Kuantum (QC-HAPs). Balon udara stratosfer ini akan menampung perangkat kuantum yang terbungkus dalam kriostat untuk mempertahankan suhu kriogenik yang diperlukan.

Ya, kriostat masih diperlukan untuk mempertahankan keadaan kuantum, tetapi pada ketinggian tersebut, suhu lingkungan yang secara alami rendah secara drastis mengurangi energi yang dibutuhkan untuk pendinginan kriogenik.
Swipe to scroll →

Selain itu, balon udara akan dilengkapi dengan panel surya untuk mengubah sinar matahari menjadi energi listrik dan baterai litium–sulfur untuk memastikan operasi yang lancar sepanjang malam dan saat cuaca buruk.

Menurut makalah tersebut, sinar kosmik, partikel berenergi tinggi yang dihasilkan matahari, akan memiliki dampak yang dapat diabaikan pada keandalan sistem komputasi kuantum stratosfer, menegaskan kelayakan platform di stratosfer.

QC-HAP yang ditempatkan di langit akan terhubung ke pusat data kuantum di darat.

Untuk ini, HAP akan mengirim informasi yang dikodekan dalam gelombang cahaya melalui komunikasi optik ruang bebas (FSO). Untuk kondisi berawan, tautan radio-frekuensi akan berfungsi sebagai cadangan.

Untuk mencegah degradasi sinyal dan decoherence saat data melintasi atmosfer, tim menyarankan penggunaan platform balon perantara pada ketinggian lebih rendah sebagai stasiun relay.

Hal hebat tentang QC-HAP adalah mereka dapat dipindahkan ke mana pun diperlukan, baik di daerah permintaan tinggi maupun wilayah terpencil. Penempatan fleksibel ini memperluas cakupan komputasi kuantum, mengurangi kemacetan komputasi, dan menurunkan latensi.

Selain itu, mereka dapat dihubungkan bersama untuk meningkatkan daya komputasi keseluruhan, membentuk “armada dinamis yang mampu menyediakan layanan komputasi kuantum yang dapat diminta, skalabel secara global,” kata co-author studi, Wiem Abderrahim, yang saat ini merupakan peneliti di Universitas Carthage, Tunisia.

Arsitektur konstelasi multi-HAP yang skalabel ini dapat mengatasi keterbatasan energi individu dan meningkatkan keunggulan komputasi.

Menurut perhitungan peneliti, solusi bertenaga surya mereka dapat mengurangi kebutuhan pendinginan sebesar 21% dibandingkan pusat komputasi kuantum setara di darat.

Para peneliti menerapkan pendekatan ini pada dua bentuk utama komputasi kuantum berdasarkan kematangan, stabilitas, skalabilitas, dan waktu koherensi. Pengurangan kebutuhan pendinginan bervariasi dengan arsitektur qubit karena setiap jenis beroperasi pada rentang suhu kriogenik yang berbeda.

Salah satu pendekatan menggunakan qubit berbasis ion terperangkap yang didinginkan hingga sekitar 4K (sekitar –269°C). Pendekatan ini memperoleh manfaat paling besar dari konsep QC-HAP. Pendekatan lainnya menggunakan sirkuit superkonduktor yang berfungsi pada suhu antara 10 hingga 20 mK.

Analisis mereka juga menunjukkan bahwa HAP yang didukung kuantum ini mendukung 30% lebih banyak qubit dibandingkan QDC berbasis darat sambil mempertahankan tingkat kesalahan yang lebih rendah, terutama ketika memanfaatkan kemampuan perangkat keras canggih.

Selain qubit, penghematan energi yang dicapai oleh sistem kuantum stratosfer juga bergantung pada arsitektur pusat data, catatan studi.

Meskipun kuat, konsep futuristik ini masih jauh dari implementasi praktis, memerlukan kemajuan signifikan dalam perangkat keras komputasi kuantum, seperti sistem yang kuat untuk mengidentifikasi dan memperbaiki kesalahan, terutama selama transmisi.

Ada juga karakteristik unik lingkungan stratosfer, seperti variasi musiman dalam radiasi matahari dan kondisi cuaca yang memengaruhi energi surya yang dipanen, dan pada gilirannya memengaruhi efisiensi energi platform yang diusulkan, yang memerlukan pertimbangan cermat.

Fokus studi untuk penelitian masa depan harus pada analisis bagaimana faktor lingkungan memengaruhi sistem kuantum dan pada pengembangan desain yang kuat untuk peluncuran QC-HAP di dunia nyata.

“Langkah selanjutnya kami adalah beralih dari tahap konseptual dan analitis ke studi yang lebih berfokus pada implementasi.”

– Co-author studi, Osama Amin

Ke depan, peneliti memperkirakan solusi kuantum udara tidak akan menggantikan tetapi akan berdampingan dengan pusat data konvensional di darat dalam kerangka komputasi awan hibrida.

Perlombaan Global untuk Mewujudkan Komputer Kuantum

Saat peneliti mengeksplorasi platform kuantum berbasis langit, pemain industri utama terus mengembangkan perangkat keras yang dibutuhkan untuk era kuantum yang pada akhirnya dapat didukung oleh platform ini.

IBM (IBM ), misalnya, termasuk yang sangat terlibat dalam komputer kuantum, berharap dapat meluncurkan Starling, komputer kuantum berskala besar yang toleran terhadap kesalahan, sebelum dekade berakhir.

Baru-baru ini, perusahaan mengumumkan pengembangan unit pemrosesan kuantum (QPUs) baru yang diharapkan dapat membantu mereka mencapai keunggulan kuantum serta komputer kuantum yang sepenuhnya toleran terhadap kesalahan.

Dengan 120 qubit, IBM Quantum Nighthawk adalah prosesor baru pertama mereka yang dapat memproses 30% lebih banyak perhitungan kuantum kompleks dibandingkan QPU IBM sebelumnya (R2 Heron). Setiap qubit ini dapat terhubung dengan empat tetangga terdekat berkat coupler yang dapat disetel. Kerangka kerja ini akan memungkinkan ilmuwan mengeksplorasi masalah yang memerlukan 5.000 gerbang dua-qubit, dengan IBM berharap versi masa depan Nighthawk dapat menghasilkan hingga 10.000 gerbang pada akhir 2027.

IBM Loon adalah prosesor kecil lainnya, yang memiliki 112 qubit dan semua elemen perangkat keras yang diperlukan untuk toleransi kesalahan penuh guna mengatasi tingkat kegagalan tinggi pada qubit. Ini akan membantu tim belajar sebelum Kookaburra, prosesor proof-of-concept lainnya, yang akan menjadi QPU modular pertama yang menyimpan dan memproses informasi terenkode. Diperkirakan akan tersedia tahun depan.

Selain itu, IBM membagikan bahwa format baru fabrikasi prosesor kuantum mereka pada wafer 300mm (12 inci) memotong setengah waktu yang dibutuhkan untuk membuat masing-masing sekaligus meningkatkan kompleksitas fisik chip sebesar 10 kali.

Sementara perangkat keras semakin cepat, jadwal untuk komputasi kuantum mainstream bervariasi secara dramatis di antara pemimpin industri.

Komputer kuantum, menurut mantan CEO Intel (INTC ), Pat Gelsinger, akan menjadi mainstream jauh lebih cepat, dalam sekitar dua tahun, dan akan menandai akhir GPU. Sementara itu, Nvidia (NVDA ), pemain dominan di pasar GPU, telah mengatakan bahwa akan memerlukan dua dekade bagi kuantum untuk menjadi mainstream.

“Kami memasuki satu atau dua dekade paling menarik bagi para teknolog,” kata Gelsinger dalam wawancara dengan FT. Ia juga menyebut komputasi kuantum sebagai “trinitas suci” dunia komputasi, bersama komputasi klasik dan AI.

Namun, sementara Gelsinger juga percaya bahwa “terobosan kuantum” akan meletuskan gelembung AI, Sundar Pichai dari Google melihatnya sebagai ledakan AI berikutnya itu sendiri.

CEO perusahaan terbesar ketiga di dunia berdasarkan kapitalisasi pasar $3,86 triliun mengatakan dalam wawancara terbaru bahwa komputasi kuantum dengan cepat mendekati momen terobosan yang serupa dengan apa yang dialami AI beberapa tahun lalu.

“Saya akan mengatakan kuantum sudah ada, di mana mungkin AI berada lima tahun yang lalu. Jadi saya pikir dalam lima tahun ke depan kita akan melewati fase yang sangat menarik dalam kuantum.”

– Pichai

Dan Google menempatkan dirinya secara agresif untuk pergeseran ini. Menurut Pichai:

“Kami memiliki upaya komputasi kuantum tercanggih di dunia… membangun sistem kuantum, saya pikir, akan membantu kami lebih baik mensimulasikan dan memahami alam serta membuka banyak manfaat bagi masyarakat.”

Memperkuat tren ini, baru-bulan lalu, peneliti di Google Quantum AI melaporkan ²implementasi kode permukaan menggunakan tiga rangkaian dinamis yang berbeda. Ini membuka kemungkinan baru untuk penerapan dunia nyata teknik Koreksi Kesalahan Kuantum (QEC) yang terkenal dan juga dapat membantu mengembangkan komputer kuantum yang lebih andal.

QEC adalah cara membuat komputer ini bekerja secara andal. Ini juga penting dalam membangun komputer kuantum yang toleran terhadap kesalahan, tetapi “mengimplementasikan QEC merupakan tantangan signifikan karena rangkaian deteksi dan koreksi kesalahan sangat kompleks dan memerlukan operasi yang sangat presisi,” kata co-author Matt McEwen.

Kode permukaan yang dimaksud bekerja dengan mengatur qubit pada grid 2D dan kemudian secara berulang memeriksa kesalahan.

Sebelumnya, McEwen mengerjakan proposal teori yang menunjukkan ada banyak cara untuk mengimplementasikannya, khususnya menunjukkan kelayakan tiga implementasi kode permukaan dinamis yang berbeda: hex, iSWAP, dan rangkaian walking.

Berdasarkan itu, tim melanjutkan untuk membuktikan bahwa mereka berfungsi dalam eksperimen di kondisi dunia nyata.

Setelah pengujian, mereka menemukan bahwa rangkaian iSWAP meningkatkan penekanan kesalahan sebesar 1,56 kali dan rangkaian walking sebesar 1,69 kali, sementara rangkaian hex melakukannya sebesar 2,15 kali.

“Hal terbesar yang kami dapatkan dari pekerjaan kami adalah konfirmasi bahwa implementasi rangkaian dinamis ini berfungsi di dunia nyata.”

– McEwen

Terobosan dalam stabilitas qubit juga semakin cepat. Insinyur Princeton baru-baru ini berhasil memperpanjang masa hidup qubit dalam penelitian terbaru mereka, yang sebagian didanai oleh Google Quantum AI.

Langkah besar menuju pengembangan komputer kuantum yang berguna, para insinyur menciptakan qubit superkonduktor yang tetap stabil selama lebih dari 1 milidetik, tiga kali lebih lama daripada versi terkuat yang ada.

“Tantangan sebenarnya, hal yang menghalangi kita memiliki komputer kuantum yang berguna saat ini, adalah bahwa Anda membuat sebuah qubit dan informasinya tidak bertahan lama,” kata co-author Andrew Houck, dekan teknik Princeton. “Ini adalah lompatan besar berikutnya.”

Untuk mengonfirmasi peningkatan koherensi qubit mereka, peneliti membangun chip kuantum yang berfungsi menggunakan arsitektur baru, yang mirip dengan sistem yang dikembangkan oleh Google dan IBM.

Pilihan qubit transmon yang digunakan mengandalkan sirkuit superkonduktor yang beroperasi pada suhu sangat dingin dan menawarkan perlindungan solid dari kebisingan lingkungan. Mereka juga bekerja baik dengan proses manufaktur saat ini. Namun, meningkatkan waktu koherensi qubit ini sangat sulit.

Jadi, tim Princeton merancang ulang qubit, menggunakan tantalum yang sangat kuat untuk mencegah kehilangan energi dan silikon berkualitas tinggi yang tersedia secara luas sebagai substrat. Chip tantalum-silikon ini tidak hanya lebih mudah diproduksi massal tetapi juga mengungguli desain saat ini.

Menggabungkan keduanya, bersama dengan penyempurnaan teknik manufaktur, membawa tim mencapai salah satu peningkatan paling signifikan dalam sejarah transmon. Sebuah komputer hipotetik dengan 1.000 qubit dapat bekerja kira-kira satu miliar kali lebih baik jika desain terbaik industri saat ini diganti dengan desain Princeton karena peningkatannya yang berskala eksponensial dengan ukuran sistem, kata Houck.

Théau Peronnin, CEO Alice & Bob, perusahaan yang mengembangkan sistem komputasi kuantum toleran kesalahan dengan Nvidia, baru-baru ini mengatakan bahwa meskipun teknologi kuantum belum cukup maju untuk mengancam sistem kriptografi saat ini, ia dapat menjadi cukup kuat untuk memecahkannya beberapa tahun setelah 2030.

Ini menimbulkan ancaman tidak hanya bagi Bitcoin dan cryptocurrency tetapi juga bagi semua enkripsi perbankan. Ia mengatakan kepada Fortune dalam wawancara:

“Janji komputasi kuantum adalah percepatan eksponensial, tetapi jika Anda memperbesar kurva eksponensial, itu menjadi datar—dan kemudian menjadi dinding vertikal. Jadi kami masih di awal titik infleksi. Sekarang, tidak lebih kuat daripada smartphone Anda. Tetapi beri waktu beberapa tahun, dan itu akan lebih kuat daripada superkomputer terbesar yang pernah ada.”

Perusahaan, bagaimanapun, sedang mengerjakan solusi, sementara peneliti memperluas jangkauan jaringan kuantum. Bulan lalu, peneliti dari University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) meningkatkan jangkauan koneksi kuantum dari beberapa kilometer menjadi 2.000 km.

“Untuk pertama kalinya, teknologi untuk membangun internet kuantum skala global berada dalam jangkauan.”

– Asisten Profesor Tian Zhong

Dalam studi mereka, tim meningkatkan waktu koherensi atom erbium individu dari 0,1 milidetik menjadi lebih dari 10 milidetik, dan dalam satu kasus, mereka bahkan mencapai 24 milidetik.

Inovasi di sini adalah membangun kristal yang penting untuk menciptakan keterikatan kuantum dengan cara yang berbeda. Untuk ini, mereka menggunakan epitaksi berkas molekuler (MBE), yang mirip dengan pencetakan 3D. “Kami memulai dari nol dan kemudian merakit perangkat ini atom demi atom,” tambahnya, “Kualitas atau kemurnian material ini sangat tinggi sehingga sifat koherensi kuantum atom-atom ini menjadi luar biasa.”

Berinvestasi dalam Teknologi Kuantum

IonQ, Inc. (IONQ ) adalah perusahaan kuantum murni yang membangun dan mengkomersialkan komputer kuantum dengan fokus pada qubit ion terperangkap. Perusahaan menawarkan perangkat keras kuantum melalui platform cloud utama. Membuat komputasi kuantum lebih mudah diakses dan menempatkannya dengan baik untuk adopsi komersial seiring kuantum bergerak menuju penggunaan dunia nyata. 

Kinerja saham IonQ mencerminkan hal ini, dengan sahamnya saat ini diperdagangkan pada $48,10, turun 21% dalam sebulan terakhir tetapi naik lebih dari 18% tahun ini dan 67,56% dalam tiga tahun terakhir. Memiliki EPS (TTM) sebesar -5,35 dan P/E (TTM) sebesar -9,21.

Mengenai kekuatan keuangan perusahaan, dilaporkan pendapatan $39,9 juta untuk Q3 2025, naik 222% YoY. Kerugian bersihnya $1,1 miliar, sementara GAAP EPS sebesar ($3,58) dan EPS yang disesuaikan sebesar ($0,17).

IonQ memiliki $1,5 miliar dalam kas, setara kas, dan investasi pada akhir kuartal.

“Kami menyelesaikan tonggak teknis 2025 #AQ 64 tiga bulan lebih awal, membuka ruang komputasi 36 kuadriliun kali lebih besar daripada sistem superkonduktor komersial terkemuka. Kami mencapai tonggak bersejarah dengan menunjukkan kinerja gerbang dua-qubit rekam jejak dunia 99,99%, menegaskan jalur kami menuju 2 juta qubit dan 80.000 qubit logis pada 2030.”

– CEO Niccolo de Masi

Selama kuartal ini, IonQ juga menyelesaikan akuisisi Oxford Ionics dan Vector Atomic serta mendapatkan kontrak baru dengan Oak Ridge National Laboratory untuk mengembangkan alur kerja kuantum-klasik yang dipercepat dan aplikasi energi canggih.

Klik di sini untuk daftar lima perusahaan komputasi kuantum teratas.

Berita Saham Terbaru IonQ, Inc. (IONQ)