Bayangkan, komputer masa depan yang bukan sekadar menghitung cepat, tapi memecahkan misteri alam semesta. Kedengarannya seperti adegan film fiksi ilmiah, bukan? Tapi inilah yang sedang diupayakan para ilmuwan di Microsoft dengan komputasi kuantum. Kabar baiknya, mereka baru saja membuat terobosan besar yang bisa membuat mimpi itu jadi kenyataan.
Komputasi kuantum, secara sederhana, adalah cara menghitung yang menggunakan prinsip-prinsip mekanika kuantum. Bayangkan bit komputer biasa seperti saklar lampu: on atau off. Nah, qubit, unit informasi kuantum, bisa on, off, atau keduanya sekaligus! Ini memungkinkan komputer kuantum melakukan perhitungan yang jauh lebih kompleks daripada komputer biasa. Masalahnya? Qubit sangat sensitif terhadap gangguan, alias rentan terhadap error.
Error dalam komputasi kuantum itu seperti typo di esai penting: bisa merusak segalanya. Di sinilah quantum error correction (QEC) hadir sebagai pahlawan bertopeng. QEC adalah teknik untuk mendeteksi dan memperbaiki error yang terjadi pada qubit, memastikan perhitungan tetap akurat. Tanpa QEC, komputer kuantum hanyalah mesin penghasil angka-angka ngawur yang mahal.
Microsoft baru-baru ini memperkenalkan keluarga baru kode QEC geometris yang revolusioner. Kode ini menggunakan geometri dimensi tinggi untuk meningkatkan kinerja kode dan membuka jalan menuju komputasi kuantum yang fault-tolerant (tahan terhadap kesalahan) pada platform perangkat keras yang sedang berkembang. Bayangkan ini seperti membangun fondasi yang sangat kokoh untuk gedung pencakar langit: semakin kuat fondasinya, semakin tinggi gedung yang bisa dibangun.
Mengurangi Qubit Fisik, Memperbesar Potensi
Salah satu tantangan terbesar dalam komputasi kuantum adalah jumlah qubit fisik yang dibutuhkan untuk membuat satu qubit logis yang tahan terhadap kesalahan. Qubit logis adalah seperti RAM komputer, sementara qubit fisik adalah transistornya; anda butuh banyak transistor untuk membuat RAM yang besar. Kode QEC konvensional membutuhkan banyak sekali qubit fisik untuk melindungi satu qubit logis, membuat skala komputasi kuantum menjadi sangat mahal dan rumit.
Kode QEC geometris baru dari Microsoft mengubah permainan ini. Dengan menggunakan geometri dimensi tinggi, kode ini dapat mengurangi secara signifikan jumlah qubit fisik yang dibutuhkan untuk menjalankan perhitungan kuantum yang andal. Dalam satu kasus, mereka mencapai enam qubit logis hanya dengan menggunakan 96 qubit fisik, rasio 16 banding 1 yang merupakan peningkatan signifikan dibandingkan dengan kode dua dimensi standar. Ini seperti menemukan cara untuk membuat RAM lebih besar dengan menggunakan lebih sedikit transistor!
Krysta Svore, Technical Fellow di Microsoft, menyebut kode-kode ini sangat efisien dalam ruang dan waktu. Mereka menggunakan sangat sedikit qubit fisik untuk mengaktifkan qubit logis dan memiliki kecepatan clock logis yang sangat cepat. Lebih lanjut, mereka dapat mengekstrak bit informasi yang tepat tentang noise dalam sistem dengan sangat mudah pada kedalaman rendah.
Single-Shot Error Correction: Masa Depan Keandalan Kuantum
Kode geometris ini juga dirancang untuk single-shot error correction, yang berarti kode ini dapat mendeteksi dan memperbaiki error dengan pengukuran berulang minimal. Ini merupakan properti yang telah lama dicari di bidang ini, dan kehadirannya di sini menandakan langkah maju dalam keandalan. Ini seperti memiliki sistem autopilot yang dapat mengoreksi kesalahan penerbangan dengan cepat tanpa memerlukan intervensi manual yang berulang.
Menurut Svore, kode ini memberikan kinerja provably single-shot dan dapat mentolerir tingkat error yang relatif tinggi dalam perangkat keras—hingga 1% atau lebih—membuatnya layak digunakan pada perangkat generasi saat ini seperti sistem atom netral atau ion terperangkap.
"Dengan salah satu instance kode kami dalam keluarga yang kami sebut kode Hadamard, kami dapat mencapai pengurangan hampir tiga kali lipat dalam tingkat kegagalan itu," katanya, mencatat penurunan dari satu error dalam 1.000 operasi menjadi satu dalam satu juta dalam simulasi.
Dibuat untuk Perangkat Keras yang Sedang Berkembang
Pekerjaan ini dirancang bersamaan dengan kemajuan dalam perangkat keras. Ketika modalitas qubit yang lebih baru muncul—termasuk atom netral, ion terperangkap, dan sistem fotonik—mereka telah mengaktifkan arsitektur dengan konektivitas fleksibel atau jarak jauh antara qubit.
"Ketika anda melonggarkan batasan geometri, satu dapat mencapai tingkat yang jauh lebih tinggi—yang berarti lebih sedikit qubit fisik untuk mengaktifkan qubit logis—sambil tetap mempertahankan kinerja yang sangat baik," kata Svore.
Fleksibilitas ini membuat kode sangat cocok untuk komputer kuantum jangka pendek yang menawarkan interaksi qubit non-lokal. Microsoft telah mengintegrasikan kode ke dalam Qubit Virtualization System, yang menyesuaikan tumpukan perangkat lunak dengan qubit fisik dan model error mitra yang spesifik.
Dari Pengirisan ke Simetri
Selain rotasi geometris, penelitian ini memperkenalkan teknik seperti "slicing" kode dimensi tinggi menjadi beberapa kode dimensi rendah, menghasilkan status logis yang terjerat seperti pasangan Bell atau status GHZ. Ini menciptakan rute langsung untuk membangun komputer kuantum berbasis stabilizer—dengan kata lain, sistem yang terus-menerus memeriksa dan memperbaiki error untuk melindungi informasi kuantum—menggunakan lebih sedikit sumber daya fisik.
Para peneliti juga mengeksplorasi bagaimana simetri dalam kisi, yang dikenal sebagai simetri kristal, dapat dimanfaatkan untuk mengimplementasikan operasi gerbang logis tanpa memindahkan qubit secara fisik. Simetri ini bertindak seperti logika internal, memungkinkan operasi Clifford universal melalui deformasi kode dan interaksi berbasis pengukuran.
Dalam kode empat dimensi, tim mendemonstrasikan bagaimana cara mengurangi bobot stabilizer sambil mempertahankan jarak kode, menggunakan selulasi alternatif seperti struktur sarang lebah 24-sel. Teknik ini juga mendukung metode overhead rendah untuk injeksi keadaan, langkah penting dalam mengaktifkan operasi non-Clifford dan komputasi kuantum universal.
Aplikasi Dunia Nyata dan Arah Masa Depan
Microsoft memasukkan kode baru ke dalam penawaran komersialnya, Microsoft Quantum Suite, yang menggabungkan perangkat keras dari mitra seperti Atom Computing dengan tumpukan perangkat lunak dan simulasi Microsoft. Perusahaan memproyeksikan bahwa implementasi jangka pendek dapat mendukung hingga 50 qubit logis dengan tingkat error yang cukup rendah untuk melakukan simulasi di luar jangkauan klasik.
Bagi Microsoft, signifikansi mencapai 50 hingga 100 qubit logis melampaui komputasi mentah—ini membuka kemungkinan baru dalam mengembangkan aplikasi praktis untuk komputer kuantum dan bahkan dapat berfungsi sebagai saluran baru antara sistem kuantum dan klasik.
"Kami akan dapat menunjukkan hal-hal yang tidak dapat anda lakukan pada mesin klasik, tetapi juga mulai mendemonstrasikan contoh dalam ilmu material dan kimia dan mulai menjelajahi akurasi solusi yang dapat diperoleh di sana," kata Svore.
Visi jangka panjangnya adalah menggunakan output kuantum dengan ketelitian tinggi untuk, misalnya, meningkatkan pembelajaran mesin tradisional. Jadi, bayangkan AI yang jauh lebih pintar dan efisien berkat bantuan komputer kuantum!
"Pada akhirnya, kami membayangkan menggunakannya sebagai data untuk melatih model AI, model AI klasik," katanya. "Jadi pada akhirnya, saat kami beralih dari 50 menjadi 100 qubit logis dan seterusnya, sistem ini dapat digunakan untuk mengembangkan data yang sangat akurat untuk masalah di seluruh ilmu material atau kimia. Dan kemudian kami dapat menggunakan data itu untuk menambah cara kami melatih model AI klasik hari ini, membawa lebih banyak prediktabilitas dan efisiensi ke model AI tersebut."
Terobosan Microsoft ini adalah langkah besar menuju komputasi kuantum yang praktis dan terukur. Dengan mengurangi kebutuhan qubit fisik dan meningkatkan akurasi perhitungan, kode QEC geometris ini membuka pintu bagi aplikasi kuantum yang revolusioner di berbagai bidang, dari ilmu material hingga kecerdasan buatan. Jadi, siapkan diri Anda untuk masa depan yang dipenuhi dengan komputer kuantum yang memecahkan masalah-masalah rumit dan membuka wawasan baru tentang alam semesta! Siapa tahu, mungkin kita akan bisa menemukan obat untuk semua penyakit berkat komputasi kuantum!
