Bayangkan mencoba memecahkan teka-teki yang rumit sementara seseorang terus-menerus menggoyang-goyangkan meja. Pada dasarnya, itulah yang dihadapi para ilmuwan ketika membangun komputer kuantum. Namun, pada tahun 2024, para peneliti akhirnya menemukan cara untuk menjaga agar keping-keping kuantum tetap stabil sehingga mesin revolusioner ini dapat digunakan secara praktis. Terobosan ini bukan tentang menghentikan guncangan; ini tentang menangkap dan memperbaiki kesalahan sebelum menyebabkan masalah.
Alam tidaklah klasik, dan jika Anda ingin membuat simulasi alam, sebaiknya Anda membuatnya menjadi mekanika kuantum.
Richard Feynman
Mengapa komputer kuantum membutuhkan koreksi kesalahan
Tidak seperti komputer tradisional yang bekerja dengan kondisi 0 atau 1 yang pasti, komputer kuantum beroperasi di dunia yang rapuh di mana informasi dapat berada di berbagai kondisi secara bersamaan. Kerapuhan ini berarti bahwa gangguan sekecil apa pun, termasuk medan magnet yang menyimpang atau perubahan suhu yang kecil, dapat merusak perhitungan secara drastis.
“Bayangkan seperti memimpin sebuah orkestra di mana setiap musisi harus bermain dengan harmoni yang sempurna, namun instrumennya terus berubah sedikit demi sedikit,” jelas Dr. Sarah Chen dari Lembaga Penelitian Komputasi Kuantum. “Kami membutuhkan cara untuk mendeteksi ketika sebuah instrumen keluar dari posisi yang seharusnya dan mengembalikannya ke dalam harmoni dengan segera”.
Semakin tepat posisi ditentukan, semakin tidak tepat momentum yang diketahui pada saat itu juga, dan sebaliknya.
Werner Heisenberg
Kode permukaan - Blok bangunan komputasi kuantum yang andal
Solusi yang paling menjanjikan adalah kode permukaan, sebuah pendekatan matematis cerdas yang menyebarkan informasi kuantum di beberapa qubit fisik untuk melindunginya dari kesalahan. Demonstrasi terbaru menunjukkan bahwa kode-kode ini dapat mengurangi tingkat kesalahan dari satu dari seribu operasi menjadi satu dari sejuta. Ini merupakan peningkatan seratus kali lipat yang melewati ambang batas untuk komputasi kuantum praktis.
Teknik ini bekerja dengan menciptakan semacam jaring pengaman untuk informasi kuantum. Alih-alih menyimpan data dalam satu qubit, teknik ini menggunakan sekelompok qubit fisik untuk menciptakan qubit logis yang lebih andal. Ketika satu qubit fisik melakukan kesalahan, qubit di sekitarnya membantu mengidentifikasi dan memperbaiki kesalahan tersebut sebelum menyebar.
Kredit. Penulis
Mengajarkan komputer kuantum untuk memperbaiki diri mereka sendiri
Mungkin perkembangan yang paling menarik adalah munculnya sistem koreksi kesalahan otonom. Komputer kuantum modern mulai menggabungkan kecerdasan buatan yang secara terus menerus memonitor keadaan qubit dan mengoreksi kesalahan waktu nyata tanpa campur tangan manusia.
Kemampuan penyembuhan diri ini merupakan pergeseran mendasar dalam komputasi kuantum. Daripada mencoba menghilangkan semua sumber kesalahan, yang tidak mungkin dilakukan, kami mengajarkan komputer kuantum untuk hidup dengan dan memperbaiki kesalahan saat kesalahan itu terjadi, hampir sama seperti cara otak kita menyaring kebisingan latar belakang selama percakapan berlangsung.
Biaya kesempurnaan
Hal yang baik tentang sains adalah bahwa sains itu benar, terlepas dari apakah Anda mempercayainya atau tidak.
Neil deGrasse Tyson
Jalan menuju komputasi kuantum yang dapat mengoreksi kesalahan datang dengan pengorbanan yang signifikan. Desain saat ini membutuhkan antara 100 hingga 1000 qubit fisik untuk membuat satu qubit logis yang terlindungi dari kesalahan. Ini seperti membangun sebuah orkestra untuk memainkan satu nada dengan sempurna.
Tuntutan perangkat keras juga sama menantangnya. Perusahaan komputasi kuantum terkemuka harus mengembangkan sistem kontrol yang sangat presisi untuk memantau dan mengoreksi kesalahan dalam hitungan mikrodetik. Demonstrasi koreksi kesalahan yang dilakukan IBM baru-baru ini membutuhkan suhu yang lebih dingin dari ruang angkasa dan sistem kontrol yang dapat memproses jutaan pengukuran per detik.
Namun terlepas dari tantangan-tantangan ini, investasi ini tampak bermanfaat. Analis pasar memproyeksikan bahwa setelah komputer kuantum yang dapat mengoreksi kesalahan tersedia, komputer ini dapat menghasilkan nilai 300 miliar poundsterling per tahun di berbagai industri mulai dari penemuan obat hingga pemodelan iklim.
Apa artinya bagi masa depan digital kita
Penguasaan koreksi kesalahan kuantum menandai titik balik dalam sejarah komputasi. Dalam tiga hingga lima tahun ke depan, kami berharap dapat melihat demonstrasi praktis pertama dari komputer kuantum yang dikoreksi kesalahan untuk memecahkan masalah dunia nyata.
Penerapan awal kemungkinan akan berfokus pada simulasi kimia untuk penemuan obat dan ilmu material. Masalah-masalah ini membutuhkan qubit logis yang relatif sedikit tetapi dapat memiliki dampak yang sangat besar. Sebagai contoh, proses fiksasi nitrogen yang lebih efisien yang ditemukan melalui simulasi kuantum dapat mengurangi biaya energi produksi pupuk hingga 30%.
Namun, penerapan yang paling transformatif mungkin adalah yang belum pernah kita bayangkan. Seperti halnya komputer klasik yang berevolusi dari kalkulator menjadi perangkat universal yang mengubah setiap aspek kehidupan modern, komputer kuantum yang dikoreksi dengan kesalahan dapat membuka batas-batas yang sepenuhnya baru dalam ilmu pengetahuan dan teknologi.
Kredit. Penulis
Melihat ke depan
Langkah pertama adalah menetapkan bahwa sesuatu itu mungkin; kemudian probabilitas akan terjadi.
Elon Musk
Meskipun masih ada tantangan yang signifikan, masalah mendasar dari koreksi kesalahan kuantum tampaknya telah terpecahkan pada prinsipnya. Fokusnya sekarang bergeser ke peningkatan sistem ini dan mengurangi kompleksitasnya. Tim peneliti di seluruh dunia sedang mengeksplorasi pendekatan baru yang secara dramatis dapat mengurangi jumlah qubit fisik yang diperlukan untuk koreksi kesalahan.
Seperti yang dikatakan oleh Dr. Chen, Kami telah beralih dari bertanya 'jika' menjadi bertanya 'kapan' komputer kuantum akan menjadi praktis. Koreksi kesalahan adalah bagian yang hilang dari teka-teki, dan sekarang kita bisa melihat gambaran lengkapnya muncul.
🔬🧫🧪🔍🤓👩🔬🦠🔭📚
Referensi jurnal
Bravyi, S., Cross, A. W., Gambetta, J. M., Maslov, D., Rall, P., & Yoder, T. J. (2024). High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory. Alam, 627(8005), 778-782. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07107-7
