Memahami Qubit – Terobosan Teleportasi dan Interaksi Terkontrol

Banyak hal yang terjadi di dunia komputasi kuantum. Raksasa chip Nvidia (NVDA ) telah meluncurkan platform open-source CUDA-Q untuk mempercepat upaya komputasi kuantum, sementara China telah menciptakan chip komputasi kuantum terbesar mereka. Kemudian ada ilmuwan di University of Manchester yang telah mengembangkan silikon ultra-murni yang membuka jalan bagi komputer generasi berikutnya.

Semua kegembiraan dan perkembangan seputar komputer kuantum ini masuk akal, mengingat teknologi ini memiliki potensi besar di berbagai bidang, termasuk kriptografi, penemuan obat, pemecahan masalah optimisasi kompleks, peningkatan algoritma pembelajaran mesin, dan banyak lagi.

Komputer kuantum dapat mencapai semua ini dengan memanfaatkan teori kuantum, yang merupakan perilaku dan sifat materi serta energi pada tingkat atom dan bahkan subatom yang lebih kecil. Komputasi kuantum menggunakan partikel subatomik seperti foton dan elektron. Qubit (bit kuantum) kemudian memungkinkan partikel-partikel tersebut berada dalam beberapa keadaan secara bersamaan dan dimanipulasi oleh perangkat kontrol.

Untuk menangani kecepatan yang secara eksponensial lebih cepat daripada komputer tradisional Anda sambil mengonsumsi lebih sedikit energi, komputer kuantum menggunakan superposisi dan keterikatan.

Superposisi melibatkan penambahan dua atau lebih keadaan kuantum untuk menciptakan keadaan kuantum lain yang sah. Superposisi qubit memungkinkan komputer kuantum memproses jutaan operasi secara bersamaan.

Keterikatan terjadi ketika dua sistem terhubung sehingga mengetahui keadaan satu memberikan pengetahuan langsung tentang yang lain. Ini memungkinkan komputer kuantum menyelesaikan masalah kompleks dengan kecepatan tinggi.

Masalahnya di sini adalah decoherence, yaitu hilangnya keadaan kuantum pada qubit akibat faktor seperti radiasi, getaran, atau perubahan suhu. Ini menyebabkan kesalahan dalam komputasi. Untuk melindungi Qubit dari interferensi, mereka ditempatkan dalam ruang hampa, isolasi, dan lemari pendingin super.

Seperti yang kita lihat, qubit memainkan peran penting dalam mewujudkan komputasi kuantum, tetapi tidak semua hal diketahui tentang mereka. Namun, dua eksperimen independen terbaru telah memperluas pemahaman kami tentang qubit, menandai langkah penting menuju pembangunan komputer kuantum yang fungsional.

Teleportasi Kuantum Tercapai

Penelitian baru telah berhasil mencapai teleportasi kuantum meskipun ada semua kebisingan yang biasanya mengganggu transfer keadaan kuantum. Dalam teleportasi, sebuah qubit dipindahkan dari satu lokasi ke lokasi lain tanpa mengirim partikel itu sendiri.

Secara teori, transfer keadaan kuantum dapat dilakukan tanpa masalah, tetapi di dunia nyata, gangguan dan kebisingan menurunkan kualitas teleportasi kuantum. Jadi, peneliti dalam studi terbaru menemukan bahwa mencapai teleportasi kuantum yang sempurna meskipun ada kebisingan merupakan prestasi besar.

Dipublikasikan dalam jurnal Science Advances, studi membahas bagaimana keterikatan dan decoherence merupakan gaya lawan bagi banyak protokol dan teknologi kuantum.

Menurut penelitian, keterikatan kuantum yang terjadi dalam korelasi yang menjangkau jarak sewenang-wenang sangat penting bagi dasar-dasar mekanika kuantum. Ini memiliki banyak aplikasi dalam pemrosesan informasi dan komunikasi. Namun, interaksi antara sistem kuantum dan lingkungannya tidak dapat dihindari, dan decoherence dapat secara serius menurunkan kinerja aplikasi tersebut.

Meskipun ada banyak protokol penekanan decoherence yang menjanjikan dengan karya terbaru yang memanfaatkan subruang bebas decoherence, pengurangan dinamis, kode koreksi kesalahan kuantum, umpan balik kuantum koheren tertunda, dan rekayasa reservoir dengan subsistem tambahan, menghindari decoherence sangat menuntut dalam praktik.

Dengan demikian, studi tersebut mengusulkan protokol efisien untuk teleportasi kuantum dalam kondisi decoherence total.

Studi yang dilakukan oleh peneliti dari University of Science and Technology of China, Hefei, dan University of Turku, Finlandia, menggunakan keterikatan hibrida multipartit antara qubit tambahan dan lingkungan lokal mereka dalam konteks sistem kuantum terbuka, memungkinkan pencapaian akurasi tinggi.

Menurut para peneliti, optik linier merupakan platform yang sangat kuat untuk melakukan berbagai protokol informasi kuantum dan mempelajari masalah dengan decoherence.

Pekerjaan dalam studi ini, menurut Jyrki Piilo, seorang Profesor dari University of Turku, memanfaatkan konsep keterikatan terdistribusi. Distribusi keterikatan ini melampaui qubit yang digunakan dan dilakukan sebelum menjalankan protokol. Ini berarti “memanfaatkan keterikatan hibrida antara berbagai derajat kebebasan fisik,” kata Piilo.

Secara tradisional, polarisasi foton telah digunakan untuk mengikat qubit dalam teleportasi. Namun, pendekatan baru memanfaatkan keterikatan hibrida antara polarisasi foton dan frekuensi.

Ini membawa perubahan besar dalam cara kebisingan memengaruhi protokol. Penemuan tersebut, pada kenyataannya, “membalik peran kebisingan dari merugikan menjadi menguntungkan bagi teleportasi,” kata Piilo.

Secara tradisional, protokol teleportasi tidak berfungsi ketika tidak hanya ada kebisingan selama keterikatan qubit tetapi juga ketika keterikatan hibrida ada pada awalnya tanpa kebisingan. Sebaliknya, ketika memiliki keterikatan hibrida dan kemudian menambahkan kebisingan, baik teleportasi maupun transfer keadaan kuantum terjadi hampir secara sempurna.

Dengan cara ini, penemuan terbaru memungkinkan teleportasi hampir ideal meskipun ada kebisingan yang terkait dengan penggunaan foton.

Para peneliti menyebut ini sebagai “eksperimen bukti prinsip yang signifikan,” dengan Dr. Zhao-Di Liu dari University of Science and Technology of China, Hefei mencatat:

“Meskipun kami telah melakukan banyak eksperimen pada berbagai aspek fisika kuantum dengan foton di laboratorium kami, sangat mengasyikkan dan memuaskan melihat eksperimen teleportasi yang sangat menantang ini berhasil diselesaikan.”

Studi tersebut mencatat bahwa selain melawan decoherence, keterikatan hibrida juga membantu mereka menambahkan lapisan keamanan lain. Studi tersebut menyatakan:

“Akan menjadi jalur penelitian masa depan yang menarik untuk menyelidiki seberapa dalam informasi yang ditransfer dapat disembunyikan.”

Ini baru permulaan, dengan studi ini memiliki pentingnya secara fundamental dalam membuka jalur baru untuk pekerjaan masa depan dalam protokol kuantum dengan menjadikannya sebagai penelitian dasar. Salah satu cara teknik ini dapat diterapkan adalah dalam transfer keadaan di luar teleportasi kuantum dan melampaui subruang bebas decoherence.

Penelitian ini juga membuka kemungkinan untuk melihat apakah decoherence dapat dibalik pada platform fisik lain, termasuk sumber kebisingan yang berbeda.

Klik di sini untuk mempelajari tentang keadaan terkini komputasi kuantum.

Mewujudkan Gerbang Dua Qubit dalam Transistor Silikon Konvensional

Studi lain, yang dilakukan oleh peneliti dari universitas tertua di Swiss, University of Basel, dalam kolaborasi dengan mereka dari The National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN, mencapai terobosan dengan memperoleh interaksi yang dapat dikendalikan antara dua qubit spin lubang dalam transistor silikon tradisional.

Dipublikasikan dalam Nature, studi yang menerima pendanaan akses terbuka dari University of Basel, mencatat bahwa qubit spin semikonduktor menawarkan potensi untuk menggunakan teknologi transistor industri guna menghasilkan komputer kuantum skala besar.

Agar komputer kuantum dapat melakukan perhitungan, ia memerlukan “gerbang kuantum,” yaitu operasi yang memanipulasi qubit dan menghubungkannya satu sama lain. Peneliti dalam studi terbaru berhasil tidak hanya menghubungkan dua qubit tetapi juga menghasilkan pembalikan spin terkontrol pada salah satu spin mereka, yang bergantung pada keadaan spin yang lain. Pengikatan tersebut bergantung pada interaksi pertukaran antara dua qubit spin.

“Spin lubang memungkinkan kami menciptakan gerbang dua-qubit yang cepat dan berfidelitas tinggi. Prinsip ini kini juga memungkinkan menghubungkan sejumlah pasangan qubit yang lebih banyak.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Peneliti telah menunjukkan beberapa tahun lalu bahwa spin lubang dalam perangkat elektronik yang ada dapat ditangkap dan digunakan sebagai qubit. Sekarang, Kuhlmann memimpin tim fisikawan Basel ini untuk berhasil mewujudkan interaksi antara dua qubit yang dapat dikendalikan.

Meskipun qubit yang dimaksud mendapat manfaat dari dapat dikendalikan secara listrik dan memiliki titik optimal untuk menetralkan muatan dan kebisingan, menunjukkan interaksi dua-qubit telah menjadi tantangan.

Faktor yang belum dipahami, menurut studi, adalah pemahaman tentang pertukaran coupling selama interaksi spin-orbit yang kuat. Untuk mengatasinya, para ilmuwan meneliti dua qubit spin lubang dalam “FinFETs” silikon atau transistor efek medan fin. Kopling spin-orbit berarti keadaan spin lubang dipengaruhi oleh gerakannya melalui ruang.

Jadi, qubit spin quantum dot (QD) semikonduktor dipandang sebagai yang paling cocok untuk implementasi masa depan sirkuit kuantum skala besar. Namun, bahkan prosesor kuantum berbasis spin paling canggih saat ini hanya memungkinkan kontrol universal enam qubit spin elektron dalam silikon (Si). Ini diikuti erat oleh demonstrasi empat-qubit dengan lubang dalam germanium.

Untuk studi ini, peneliti menggunakan qubit yang memanfaatkan spin elektron atau lubang. Baik elektron maupun lubang memiliki spin dan mengadopsi keadaan naik atau turun.

Spin lubang, dibandingkan dengan spin elektron, dapat dikendalikan sepenuhnya secara listrik tanpa memerlukan degenerasi orbital atau komponen tambahan seperti mikromagnet pada chip, yang menambah kompleksitas. Ini disebabkan oleh interaksi spin-orbit (SOI) intrinsik mereka. Lubang juga mendapat manfaat dari interaksi hiperkern yang berkurang dan tidak adanya lembah.

Dengan demikian, studi ini menunjukkan kemampuan mengendalikan pertukaran secara listrik dan melakukan pembalikan spin kondisional dalam 24 ns. Hamiltonian pertukaran tidak lagi memiliki bentuk Heisenberg dan dapat direkayasa untuk memungkinkan gerbang rotasi terkendali dua-qubit tanpa mengorbankan kecepatan demi akurasi atau sebaliknya. Menurut penelitian:

“Perilaku ideal ini berlaku pada rentang orientasi medan magnet yang luas, menjadikan konsep ini kuat terhadap variasi antar qubit, menunjukkan bahwa ini merupakan pendekatan yang cocok untuk mewujudkan komputer kuantum skala besar.”

Studi ini menunjukkan potensi untuk menata jutaan qubit spin lubang pada satu chip saja. Pendekatannya juga menunjukkan kemungkinan besar untuk pengembangan komputer kuantum skala besar.

Peningkatan masa depan dalam fabrikasi perangkat diperlukan untuk mengurangi variabilitas. Ketika digabungkan dengan titik optimal rotasi terkendali (CROT) yang kuat, kemajuan ini “akan membuat operasi gerbang dua-qubit dengan pertukaran anisotropik sangat menarik untuk susunan qubit skala besar.”

Kemajuan penelitian ini, jika digabungkan dengan pembacaan cepat dan operasi di atas 1 K, dapat memungkinkan FinFET untuk digunakan sebagai prosesor kuantum universal yang tersusun pada chip yang digunakan dalam elektronik kontrol klasik.

Perusahaan yang Terlibat dalam Pengembangan Komputer Kuantum

Sekarang, mari kita lihat perusahaan-perusahaan yang secara aktif bekerja pada komputer kuantum:

#1. IBM

IBM telah memimpin penelitian komputasi kuantum selama bertahun-tahun dan mengembangkan IBM Q System One, komputer kuantum komersial berbasis sirkuit pertama. Perusahaan menyediakan akses ke sistem kuantumnya melalui platform IBM Quantum Experience.

Awal bulan ini, IBM meluncurkan prosesor kuantum dengan lebih dari 1.000 qubit bernama Condor dan prosesor skala utilitas IBM Quantum Heron dengan 133 qubit. Mereka juga mengumumkan peluncuran komputer kuantum modular, Quantum System Two. Sementara itu, melalui tumpukan perangkat lunak Qiskit, IBM bertujuan membuat pengembangan komputasi kuantum dapat diakses secara luas.

Tahun ini, laboratorium penelitian nasional Jepang RIKEN mengumumkan bahwa mereka akan menggunakan prosesor kuantum IBM dan arsitektur komputer kuantum untuk integrasi dengan superkomputer Fugaku.

Penelitian terbaru perusahaan tersebut di bidang ini meliputi:

• Memori kuantum toleran kesalahan dengan ambang tinggi dan overhead rendah.
• Menyandikan keadaan magis dengan fidelitas melampaui titik impas.
• Mensimulasikan rantai spin kuantum berukuran besar pada komputer kuantum superkonduktor berbasis cloud.

Pada saat penulisan, saham perusahaan diperdagangkan pada $167,36, naik 2,33% YTD, sementara kapitalisasi pasar sebesar $153,73 miliar. IBM melaporkan pendapatan (TTM) sebesar $62,07 miliar, EPS (TTM) 9,19, dan P/E (TTM) 18,22. Yield dividen adalah 3,99%.

Selama pelaporan keuangan Q1 2024 terbaru, IBM melihat pendapatannya meningkat 1,5% YoY selama kuartal menjadi $14,5 miliar dan arus kas bebas sebesar $1,9 miliar. Perusahaan mencatat bahwa “pertumbuhan pendapatan dan arus kas bebas yang solid” mencerminkan kekuatan strategi cloud dan AI-nya.

#2. Google 

Dalam dunia komputasi kuantum, Google telah membuat kemajuan dengan laboratorium Quantum AI-nya, yang bekerja pada perangkat keras dan perangkat lunak. Beberapa tahun lalu, divisi tersebut meluncurkan Sycamore, prosesor kuantum 53-qubit. Saat ini, perangkat keras raksasa teknologi tersebut berfokus pada qubit superkonduktor sementara tumpukan perangkat lunak canggihnya mengeksplorasi kekuatan komputasi kuantum.

Beberapa bulan lalu, Google meluncurkan kompetisi global multi-tahun untuk menemukan kasus penggunaan dunia nyata bagi komputasi kuantum dengan hadiah $5 juta, yang akan dibagi di antara finalis. Google mencatat pada bulan Maret:

“Meskipun ada banyak alasan untuk optimis tentang potensi komputasi kuantum, kami masih agak belum jelas tentang cakupan penuh bagaimana, kapan, dan untuk masalah dunia nyata mana teknologi ini akan menjadi paling transformatif.”

Penelitian terbaru perusahaan penelitian di bidang ini mencakup penekanan kesalahan kuantum dengan menskalakan qubit logika kode permukaan, transisi fase dalam pengambilan sampel sirkuit acak, serta keterikatan dan teleportasi yang dipicu pengukuran pada prosesor kuantum yang berisik.

Pada saat penulisan, saham perusahaan diperdagangkan pada $107,48, naik 21,94% YTD, sementara kapitalisasi pasar sebesar $2,12 triliun. Google melaporkan pendapatan (TTM) sebesar $218,14 miliar dengan EPS (TTM) 6,52 dan P/E (TTM) 26/13. Mereka membayar dividend yield sebesar 0,47%.

Untuk pendapatan 1Q24, perusahaan melaporkan lonjakan pendapatan 13% menjadi $86,3 miliar, laba bersih $20,28 miliar, dan dividen $20 per saham pertama kali. Pada musim semi 2024, kapitalisasi pasar mereka mencapai tonggak baru $2 triliun, menjadikannya perusahaan publik keempat paling berharga di dunia.

Kesimpulan

Telah terjadi perlombaan untuk membangun komputer kuantum yang fungsional, di mana para peneliti berfokus pada pemahaman qubit dan bekerja dengan berbagai teknologi qubit. Qubit adalah dasar komputer kuantum karena mereka menangani semua pemrosesan, transfer, dan penyimpanan data. Oleh karena itu, semua penelitian berpusat pada qubit, termasuk dua terbaru yang dibahas di sini, yang bertujuan membantu dalam pembangunan komputer kuantum praktis.

Klik di sini untuk daftar lima perusahaan komputasi kuantum terbaik.