Para peneliti di Caltech telah mengembangkan metode baru untuk mengukur tingkat kesalahan komputer kuantum menggunakan komputer klasik, tanpa memerlukan simulasi penuh. Terobosan ini membantu mengatasi tantangan yang ditimbulkan oleh kesalahan bawaan dalam sistem kuantum dan dapat mempercepat pengembangan teknologi komputasi kuantum yang lebih akurat. (Konsep artis.) Kredit: SciTechDaily.com
Sebuah metode baru menggunakan komputer klasik untuk memverifikasi keakuratan sistem kuantum yang kompleks.
Komputer kuantum menjanjikan untuk melampaui komputer klasik dalam memecahkan masalah kompleks di berbagai bidang seperti ilmu komputer, kedokteran, bisnis, kimia, dan fisika. Akan tetapi, mesin canggih ini belum mencapai potensi penuhnya, karena masih mengalami kesalahan bawaan. Para peneliti bekerja keras untuk meminimalkan kelemahan ini dan meningkatkan kinerja komputer kuantum.
Salah satu cara untuk mempelajari kesalahan ini adalah dengan menggunakan komputer klasik untuk mensimulasikan sistem kuantum dan memverifikasinya. ketepatanSatu-satunya kendala adalah bahwa seiring dengan meningkatnya kompleksitas mesin kuantum, menjalankan simulasi mesin tersebut pada komputer tradisional akan memakan waktu bertahun-tahun atau lebih lama.
Kini, para peneliti Caltech telah menemukan metode baru yang memungkinkan komputer klasik mengukur tingkat kesalahan mesin kuantum tanpa harus mensimulasikannya secara penuh. Tim tersebut menjelaskan metode tersebut dalam sebuah makalah di jurnal Alam.
“Di dunia yang sempurna, kami ingin mengurangi kesalahan ini. Itulah impian bidang kami,” kata Adam Shaw, penulis utama studi tersebut dan mahasiswa pascasarjana yang bekerja di laboratorium Manuel Endres, profesor fisika di Caltech. “Namun, sementara ini, kami perlu lebih memahami kesalahan yang dihadapi sistem kami, sehingga kami dapat berupaya menguranginya. Hal itu memotivasi kami untuk menemukan pendekatan baru dalam memperkirakan keberhasilan sistem kami.”
Simulator Kuantum dan Keterikatan
Dalam studi baru tersebut, tim tersebut melakukan eksperimen menggunakan sejenis komputer kuantum sederhana yang dikenal sebagai simulator kuantum. Simulator kuantum memiliki cakupan yang lebih terbatas daripada komputer kuantum dasar saat ini dan dirancang khusus untuk tugas-tugas tertentu. Simulator kelompok tersebut terdiri dari atom Rydberg yang dikontrol secara individual—atom dalam keadaan sangat tereksitasi—yang mereka manipulasi menggunakan laser.
Salah satu fitur utama simulator, dan semua komputer kuantum, adalah keterikatan—fenomena di mana atom-atom tertentu menjadi terhubung satu sama lain tanpa benar-benar bersentuhan. Ketika komputer kuantum bekerja pada suatu masalah, keterikatan terbentuk secara alami dalam sistem, menghubungkan atom-atom secara tak kasat mata. Tahun lalu, Endres, Shaw, dan rekan-rekannya mengungkapkan bahwa seiring bertambahnya keterikatan, koneksi tersebut menyebar secara kacau atau acak, yang berarti bahwa gangguan kecil menyebabkan perubahan besar dengan cara yang sama seperti kepakan sayap kupu-kupu secara teoritis dapat memengaruhi pola cuaca global.
Komputer klasik tidak mampu sepenuhnya mensimulasikan kerja sistem kuantum, terutama yang memiliki lebih dari 30 qubit. Sebagai contoh hipotetis, jika komputer kuantum menciptakan Mona Lisa, ia dapat menciptakan banyak detail tetapi rentan terhadap kesalahan, oleh karena itu tampilan lukisan di sebelah kanan dalam konsep artis ini menjadi kabur. Komputer klasik tidak dapat menciptakan detail sebaik komputer kuantum tetapi dapat secara kasar memperkirakan tugas komputer kuantum, oleh karena itu gambar di sebelah kiri menjadi piksel. Untuk mengatasi keterbatasan ini dan mensimulasikan sistem kuantum dengan lebih baik, para peneliti menggunakan metode untuk mengubah jumlah “pikselasi” dalam simulasi komputer klasik dan kemudian mengekstrapolasi dari hasil tersebut untuk memperkirakan “keburaman” sistem kuantum. Kredit: Caltech
Batasan Simulasi Klasik
Meningkatnya kompleksitas ini diyakini sebagai hal yang memberi komputer kuantum kemampuan untuk memecahkan beberapa jenis masalah jauh lebih cepat daripada komputer klasik, seperti masalah dalam kriptografi yang mengharuskan bilangan besar difaktorkan dengan cepat.
Namun, setelah mesin mencapai jumlah atom yang terhubung, atau qubit, mesin tersebut tidak dapat lagi disimulasikan menggunakan komputer klasik. “Ketika Anda melewati 30 qubit, semuanya menjadi kacau,” kata Shaw. “Semakin banyak qubit dan keterikatan yang Anda miliki, semakin rumit perhitungannya.”
Simulator kuantum dalam studi baru ini memiliki 60 qubit, yang menurut Shaw menempatkannya dalam rezim yang mustahil disimulasikan secara tepat. “Ini menjadi dilema. Kami ingin mempelajari rezim yang sulit bagi komputer klasik untuk bekerja, tetapi tetap mengandalkan komputer klasik tersebut untuk mengetahui apakah simulator kuantum kami benar.” Untuk menghadapi tantangan tersebut, Shaw dan rekan-rekannya mengambil pendekatan baru, menjalankan simulasi komputer klasik yang memungkinkan berbagai tingkat keterikatan. Shaw menyamakan ini dengan melukis dengan kuas dengan ukuran yang berbeda.
“Katakanlah komputer kuantum kita sedang menggambar Inilah para gembalanya sebagai analogi,” katanya. “Komputer kuantum dapat melukis dengan sangat efisien dan, secara teori, sempurna, tetapi membuat kesalahan yang mengaburkan cat di bagian lukisan. Ini seperti komputer kuantum yang tangannya gemetar. Untuk mengukur kesalahan ini, kami ingin komputer klasik kami mensimulasikan apa yang telah dilakukan komputer kuantum, tetapi Inilah para gembalanya akan terlalu rumit untuk itu. Seolah-olah komputer klasik hanya memiliki sikat atau rol raksasa dan tidak dapat menangkap detail yang lebih halus.
“Sebaliknya, kami meminta banyak komputer klasik untuk melukis hal yang sama dengan kuas yang semakin halus, lalu kami menyipitkan mata dan memperkirakan seperti apa jadinya jika kuas itu sempurna. Lalu kami menggunakannya untuk membandingkannya dengan komputer kuantum dan memperkirakan kesalahannya. Dengan banyak pemeriksaan silang, kami dapat menunjukkan bahwa ‘menyipitkan mata’ ini secara matematis benar dan memberikan jawaban yang cukup akurat.”
Para peneliti memperkirakan bahwa simulator kuantum 60-qubit mereka beroperasi dengan tingkat kesalahan 91 persen (atau tingkat akurasi 9 persen). Angka itu mungkin terdengar rendah, tetapi sebenarnya angka itu relatif tinggi untuk kondisi lapangan saat ini. Sebagai referensi, eksperimen Google tahun 2019, di mana tim mengklaim komputer kuantum mereka mengungguli komputer klasik, memiliki akurasi 0,3 persen (meskipun itu adalah jenis sistem yang berbeda dari yang ada dalam penelitian ini).
Shaw mengatakan: “Kami sekarang memiliki tolok ukur untuk menganalisis kesalahan dalam komputasi kuantum sistem. Artinya, saat kami melakukan penyempurnaan pada perangkat keras, kami dapat mengukur seberapa baik penyempurnaan tersebut bekerja. Ditambah lagi, dengan tolok ukur baru ini, kami juga dapat mengukur seberapa banyak keterikatan yang terlibat dalam simulasi kuantum, metrik lain dari keberhasilannya.”
Referensi: “Pembandingan negara-negara yang sangat terjerat pada skala 60atom simulator kuantum analog” oleh Adam L. Shaw, Zhuo Chen, Joonhee Choi, Daniel K. Mark, Pascal Scholl, Ran Finkelstein, Andreas Elben, Soonwon Choi dan Manuel Endres, 20 Maret 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07173-x
Penelitian ini didanai oleh National Science Foundation (sebagian melalui Institut Informasi Kuantum dan Materi Caltech, atau IQIM), Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan (DARPA), Kantor Penelitian Angkatan Darat, Akselerator Sistem Kuantum Departemen Energi AS, beasiswa pascadoktoral Troesh, Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Jerman Leopoldina, dan Institut Fisika Teoretis Walter Burke Caltech.
