Sebuah trik baru membuat salah satu kelemahan besar komputer kuantum atom netral ikut mengecil. Tim peneliti merancang jenis operasi kuantum yang jauh lebih stabil dibanding metode sebelumnya, dan hasil ini membawa arsitektur atom netral selangkah lebih dekat ke komputer kuantum yang benar-benar berguna.
Kemajuan ini penting karena komputer kuantum sangat bergantung pada qubit, unit data yang bisa berada dalam keadaan 0, 1, atau superposisi keduanya. Agar bisa menghitung secara paralel, sistem ini membutuhkan gerbang kuantum yang mampu memindahkan dan menukar keadaan antarqubit dengan sangat presisi.
Masalah lama: gerbang mudah terganggu
Salah satu gerbang penting adalah swap gate, yang menukar keadaan dua qubit agar informasi bisa dirutekan di dalam mesin. Pada banyak sistem, gerbang seperti ini bergantung pada keadaan elektronik yang sangat tereksitasi, tumbukan antatom, atau efek terowongan kuantum.
Pendekatan itu punya kelemahan besar. Sedikit saja perubahan pada waktu atau kekuatan laser dapat memicu kesalahan dan menurunkan fidelitas, sehingga gerbang menjadi tidak andal.
Masalah ini menjadi bagian dari bottleneck utama dalam upaya menskalakan komputasi kuantum. Qubit sangat mudah mengalami error dan rusak saat perhitungan, dengan tingkat kesalahan sekitar 1 banding 1.000, jauh lebih buruk dibanding bit konvensional yang berkisar 1 banding 1 triliun.
Geometric phase jadi kunci
Untuk mengatasi hal itu, ilmuwan di ETH Zurich menggunakan pendekatan berbeda. Mereka memanfaatkan efek fisika yang lebih halus bernama geometric phase, bukan bergantung pada dorongan yang sangat presisi terhadap atom.
Swap gate baru ini bekerja lewat lintasan atom di dalam “kristal cahaya” buatan yang dibentuk oleh perpotongan berkas laser, atau optical lattice. Dalam pendekatan ini, hasil operasi lebih ditentukan oleh jalur yang ditempuh sistem daripada oleh seberapa cepat atau seberapa keras atom didorong.
Pada sistem atom netral, platform seperti ini dianggap menjanjikan karena dapat memuat ribuan qubit dalam satu perangkat. Susunannya memakai puluhan ribu atom kalium yang didinginkan hingga mendekati nol absolut dan ditahan oleh cahaya laser.
Yann Hendrick Kiefer, peneliti pascadoktoral di ETH Zürich Institute for Quantum Electronics dan penulis utama studi, menjelaskan bahwa cahaya laser menciptakan medan listrik yang menginduksi momen dipol pada atom netral. Gaya inilah yang memungkinkan atom tetap berada di tempatnya.
Saat dua atom kalium didekatkan hingga gelombang kuantumnya saling tumpang tindih, keadaan gabungannya berubah menurut geometri geraknya. Karena tidak terlalu bergantung pada kecepatan gerak atau intensitas laser, operasi ini jauh lebih tahan terhadap noise eksperimen.
Hasil yang lebih stabil dan skala yang lebih besar
Dengan metode ini, tim mencapai swap gate yang sangat tangguh dengan presisi lebih baik dari 99,91 persen. Operasinya berlangsung dalam waktu kurang dari satu milidetik dan diterapkan pada sistem dengan 17.000 pasangan qubit.
Ada catatan penting di sini. Beberapa gerbang pada sistem superkonduktor atau trapped-ion memang bisa berjalan dalam waktu sub-mikrodetik, tetapi biasanya hanya pada sedikit pasangan qubit sekaligus.
Tim juga berhasil menunjukkan pembuatan half-swap gate, yang dianggap penting untuk menjalankan algoritma kuantum nyata. Gerbang ini tidak menukar dua qubit sepenuhnya, tetapi cukup untuk membangun keterikatan kuantum, unsur yang membuat komputasi kuantum berbeda dari komputasi klasik.
Para peneliti berharap swap yang lebih tangguh ini bisa dipadukan dengan quantum gas microscope. Alat itu mampu mencitrakan dan menargetkan pasangan atom individual, sehingga membuka jalan bagi arsitektur komputasi kuantum yang lebih fleksibel dan dapat diprogram.
Jalan masih panjang, tapi targetnya makin realistis
Kiefer tetap mengingatkan bahwa komputer kuantum praktis masih jauh dari selesai. Ia menyebut tantangan terbesar masih dua, yakni skala dan fidelitas.
Namun, ada alasan untuk lebih optimistis. Ia merujuk pada studi lain yang menunjukkan bahwa masalah kompleks seperti Shor’s algorithm mungkin kelak dapat diselesaikan dengan sistem berisi sekitar 10.000 qubit, bukan jutaan qubit seperti yang dulu diperkirakan.
Shor’s algorithm penting karena dapat memecahkan jenis enkripsi modern tertentu dengan cepat, dengan mencari faktor prima rahasia dari bilangan besar jauh lebih efisien daripada komputer klasik. Selama ini, algoritma itu juga menjadi tolok ukur utama dalam riset komputasi kuantum.
“Quantum computing on a practical scale still requires significant advancements,” kata Kiefer. Ia menambahkan bahwa bidang ini mulai memasuki fase ketika impian komputasi kuantum perlahan berubah menjadi kenyataan.
