By Kenna Hughes-Castleberry diposting 24 Nov 2022
Karena kerapuhan dan kerentanan mereka terhadap kebisingan, komputer kuantum masih memiliki jalan panjang sebelum mereka dapat digunakan secara lebih luas. Salah satu tantangan utama dalam mengembangkan teknologi ini berkaitan dengan arsitekturnya. Seperti yang telah ditemukan oleh banyak insinyur, qubit dalam komputer kuantum bertindak baik sebagai unit memori dan unit komputasi pada saat yang bersamaan. Ini menciptakan batasan pada apa yang dapat dilakukan teknologi, karena memori kuantum tidak dapat disalin dan karenanya tidak dapat disimpan di komputer klasik. Karena keterbatasan ini, banyak pengembang kuantum mengandaikan bahwa qubit dalam komputer kuantum harus berinteraksi satu sama lain dengan lebih baik untuk berbagi informasi memori. Penelitian baru dari Universitas Indonesia Innsbruck menyarankan arsitektur baru untuk komputer kuantum. Arsitektur ini, disebut arsitektur LHZ setelah peneliti Wolfgang Lechner, Phillip Hauke, dan Peter Zoller, dirancang khusus untuk pengoptimalan tetapi juga dapat melakukan operasi paritas dan koreksi kesalahan. Arsitektur memungkinkan proses ini terjadi karena qubit fisik dikodekan untuk koordinasi antar bit, bukan untuk qubit sebenarnya itu sendiri.
“Arsitektur LHZ adalah arsitektur kuantum yang memungkinkan kita menyandikan masalah pengoptimalan untuk komputer kuantum dengan cara yang tidak memerlukan interaksi jarak jauh yang sulit saat menyelesaikannya,” jelas Ph.D. peneliti Michael Felner kelompok riset Lechner. “Ini berbeda dengan pendekatan konvensional yang seringkali membutuhkan overhead yang besar dalam sumber daya gerbang untuk interaksi ini. Untuk mengurangi overhead ini, arsitektur yang diimplementasikan dipasangkan secara signifikan. Ini memungkinkan arsitektur LHZ untuk melakukan proses paritas. “Alih-alih menyandikan setiap variabel bit secara langsung dalam bit kuantum (qubit), qubit dalam arsitektur LHZ mewakili perbedaan (“paritas”) antara dua atau lebih yang layak, yang menyederhanakan penerapan algoritme kuantum tertentu,” tambah Fellner. Dengan menyandikan qubit dengan paritas ini, jumlah qubit yang diperlukan untuk komputasi kuantum berkurang, memungkinkan metode yang lebih mudah untuk skalabilitas dan implementasi dan bahkan menyarankan cara yang memungkinkan untuk membuat mesin ini lebih mobile.
Mengejar Paritas
Ide keseimbangan pada komputer kuantum sebenarnya bukan hal baru. Seperti yang dijelaskan Fellner: “Komputer kuantum yang ada sudah menerapkan operasi semacam itu dengan sangat baik dalam skala kecil. Namun, seiring bertambahnya jumlah qubit, mengimplementasikan operasi gerbang ini menjadi semakin kompleks.” Dalam merancang arsitektur LHZ, para peneliti Innsbruck merencanakan kemungkinan masalah ini dengan memprogram qubit mereka dengan cara yang berbeda dari komputer kuantum pada umumnya. “Dengan mengeksploitasi fakta bahwa qubit dalam Arsitektur Paritas menyandikan bagian relatif dari beberapa qubit 'standar', ia dapat mengimplementasikan beberapa operasi kuantum dengan cara yang lebih sederhana,” tambah Fellner. "Dalam pekerjaan kami baru-baru ini, kami telah menunjukkan bahwa mungkin untuk membangun satu set gerbang yang universal, yaitu memungkinkan seseorang untuk mengimplementasikan algoritma apa pun." Jenis komputer kuantum universal ini menunjukkan implikasi besar bagi industri komputasi kuantum dan dapat membantu mempercepat perkembangannya. “Selain itu,” kata Fellner, “seseorang dapat mengeksploitasi overhead dalam jumlah qubit untuk mendeteksi dan mengoreksi kesalahan kuantum yang mungkin terjadi selama perhitungan.”
Menggunakan Arsitektur LHZ untuk Mengurangi Koreksi Kesalahan
Karena kerentanannya terhadap kebisingan, komputer kuantum bisa menjadi rawan kesalahan. Beberapa metode berbeda sedang diuji sebagai cara untuk mengurangi koreksi kesalahan dan para peneliti Innsbruck percaya bahwa arsitektur LHZ dapat membantu proses ini. "Kesalahan kuantum dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis, yang disebut kesalahan bit-flip, dan kesalahan fase-flip," kata Fellner. Arsitektur LHZ dirancang untuk mengoreksi keduanya. Salah satu jenis kesalahan, (baik bit flip atau kesalahan fase) dicegah oleh perangkat keras yang digunakan,” tambah peneliti Innsbruck Annette Messinger dan Killian Ender. “Jenis kesalahan lainnya dapat dideteksi dan diperbaiki melalui perangkat lunak.” Dengan metode yang kuat untuk koreksi kesalahan dan skalabilitas, tidak mengherankan melihat arsitektur LHZ mulai diimplementasikan.
Sudah perusahaan spin-off yang didirikan bersama oleh Lechner dan Magdalena Hauser, disebut ParitasQC, sedang bekerja dengan para peneliti di Innsbruck dan di tempat lain untuk mencoba dan menggunakan arsitektur baru ini.
Kenna Hughes-Castleberry adalah staf penulis di Inside Quantum Technology dan Science Communicator di JILA (kemitraan antara University of Colorado Boulder dan NIST). Ketukan tulisannya termasuk teknologi dalam, metaverse, dan teknologi kuantum.
