Pada akhir tahun lalu, raksasa teknologi IBM mengumumkan apa yang mungkin tampak seperti tonggak sejarah dalam komputasi kuantum: chip pertama, yang disebut Condor, dengan lebih dari 1,000 bit kuantum, atau qubit. Mengingat bahwa ini baru dua tahun setelah perusahaan meluncurkan Eagle, chip pertama dengan lebih dari 100 qubit, sepertinya bidang ini semakin maju. Membuat komputer kuantum yang dapat menyelesaikan permasalahan berguna di luar jangkauan superkomputer klasik tercanggih saat ini memerlukan peningkatan yang lebih besar lagi — mungkin hingga puluhan atau ratusan ribu qubit. Tapi itu pasti hanya masalah rekayasa, bukan?

Belum tentu. Tantangan untuk meningkatkannya begitu besar sehingga beberapa peneliti berpendapat bahwa hal ini memerlukan perangkat keras yang sangat berbeda dari mikroelektronika yang digunakan oleh perusahaan seperti IBM dan Google. Qubit di Condor dan chip Sycamore Google terbuat dari loop bahan superkonduktor. Qubit superkonduktor ini sejauh ini menjadi yang terdepan dalam perlombaan menuju komputasi kuantum skala penuh. Namun kini ada seekor kura-kura yang datang dari belakang: qubit yang terbuat dari atom-atom individual.

Kemajuan terkini telah mengubah “qubit atom netral” ini dari pihak luar menjadi pesaing utama.

“Dua atau tiga tahun terakhir telah terjadi kemajuan yang lebih pesat dibandingkan periode sebelumnya,” kata fisikawan Mark Saffman dari Universitas Wisconsin, Madison, yang menghitung setidaknya ada lima perusahaan yang berlomba untuk mengkomersialkan komputasi kuantum atom netral.

Seperti bit di komputer biasa, qubit mengkodekan informasi biner — 1s dan 0s. Namun karena suatu bit selalu berada dalam satu keadaan atau keadaan lainnya, informasi dalam qubit dapat dibiarkan tidak dapat ditentukan, dalam apa yang disebut “superposisi” yang memberi bobot pada kedua kemungkinan tersebut. Untuk melakukan komputasi, qubit dihubungkan menggunakan fenomena yang disebut keterjeratan kuantum, yang membuat kemungkinan statusnya saling bergantung. Algoritme kuantum tertentu mungkin memerlukan rangkaian keterjeratan antara kumpulan qubit yang berbeda, dan jawabannya dibacakan di akhir komputasi saat pengukuran dilakukan, sehingga setiap superposisi diciutkan hingga menjadi 1 atau 0.

Ide untuk menggunakan keadaan kuantum atom netral untuk menyandikan informasi dengan cara ini adalah diusulkan pada awal tahun 2000an oleh fisikawan Harvard Mikhail lukin dan kolega, dan juga oleh kelompok yang dipimpin oleh Ivan Jerman dari Universitas New Mexico. Untuk waktu yang lama, komunitas riset yang lebih luas sepakat bahwa komputasi kuantum atom netral pada prinsipnya merupakan ide bagus, kata Lukin, namun “itu tidak berhasil” dalam praktiknya.

“Tetapi 20 tahun kemudian, pendekatan lain belum mencapai kesepakatan,” kata Saffman. “Keterampilan dan teknik yang diperlukan untuk membuat atom netral berhasil secara bertahap berkembang hingga terlihat sangat menjanjikan.”

Laboratorium Lukin di Harvard termasuk di antara yang memimpin. Pada bulan Desember, dia dan rekan-rekannya melaporkan bahwa mereka menciptakan sirkuit kuantum yang dapat diprogram dengan ratusan qubit atom netral dan telah melakukan komputasi kuantum dan koreksi kesalahan dengannya. Dan bulan ini, tim di California Institute of Technology melaporkan bahwa mereka membuat susunan 6,100 qubit atom. Hasil seperti ini semakin menarik perhatian orang-orang yang beralih ke pendekatan ini.

“Sepuluh tahun yang lalu saya tidak akan memasukkan metode [atom netral] ini jika saya melakukan lindung nilai terhadap masa depan komputasi kuantum,” kata Andrew Steane, seorang ahli teori informasi kuantum di Universitas Oxford. “Itu adalah sebuah kesalahan.”

Pertempuran Qubit

Masalah utama dalam persaingan antar tipe qubit adalah berapa lama setiap jenis qubit dapat mempertahankan superposisinya sebelum diubah oleh fluktuasi acak (misalnya termal). Untuk qubit superkonduktor seperti IBM dan Google, “waktu koherensi” ini biasanya paling lama sekitar satu milidetik. Semua langkah komputasi kuantum harus terjadi dalam jangka waktu tersebut.

Salah satu keuntungan pengkodean informasi dalam keadaan masing-masing atom adalah waktu koherensinya biasanya jauh lebih lama. Selain itu, tidak seperti sirkuit superkonduktor, atom-atom dari jenis tertentu semuanya identik, sehingga sistem kontrol yang dibuat khusus tidak diperlukan untuk memasukkan dan memanipulasi keadaan kuantum yang sedikit berbeda.

Dan meskipun kabel yang digunakan untuk menghubungkan qubit superkonduktor ke dalam sirkuit kuantum bisa menjadi sangat rumit – terlebih lagi seiring dengan meningkatnya skala sistem – tidak diperlukan kabel dalam kasus atom. Semua keterjeratan dilakukan dengan menggunakan sinar laser.

Manfaat ini pada awalnya menimbulkan tantangan. Ada teknologi yang berkembang dengan baik untuk membuat sirkuit dan kabel mikroelektronik yang rumit, dan salah satu alasan IBM dan Google berinvestasi pada qubit superkonduktor pada awalnya bukan karena ini jelas merupakan yang terbaik tetapi karena mereka memerlukan jenis sirkuit yang biasa digunakan oleh perusahaan-perusahaan tersebut, kata Stuart Adams, seorang fisikawan di Universitas Durham di Inggris yang bekerja pada komputasi kuantum atom netral. “Optik atom berbasis laser tampak asing bagi mereka. Semua tekniknya benar-benar berbeda.”

Qubit yang terbuat dari atom bermuatan listrik – dikenal sebagai ion – juga dapat dikontrol dengan cahaya, dan ion telah lama dianggap sebagai kandidat qubit yang lebih baik daripada atom netral. Karena muatannya, ion relatif mudah terperangkap dalam medan listrik. Para peneliti telah menciptakan perangkap ion dengan menangguhkan ion-ion dalam rongga vakum kecil pada suhu sangat rendah (untuk menghindari guncangan termal) sementara sinar laser mengalihkan ion-ion tersebut ke keadaan energi yang berbeda untuk memanipulasi informasi. Komputer kuantum perangkap ion dengan lusinan qubit kini telah didemonstrasikan, dan beberapa perusahaan rintisan sedang mengembangkan teknologi tersebut untuk komersialisasi. “Sejauh ini, sistem dengan kinerja tertinggi dalam hal fidelitas, kontrol, dan koherensi adalah ion-ion yang terperangkap,” kata Saffman.

Menjebak atom netral lebih sulit karena tidak ada muatan yang dapat menahannya. Sebaliknya, atom-atom tersebut diimobilisasi dalam bidang cahaya intens yang diciptakan oleh sinar laser, yang disebut pinset optik. Atom biasanya lebih suka berada di tempat yang medan cahayanya paling kuat.

Dan ada masalah dengan ion: Semuanya mempunyai muatan listrik dengan tanda yang sama. Itu berarti qubit saling tolak menolak. Memasukkan banyak ion ke dalam ruang kecil yang sama akan semakin sulit jika semakin banyak ion yang ada. Dengan atom netral, tidak ada ketegangan seperti itu. Hal ini, kata para peneliti, membuat qubit atom netral jauh lebih terukur.

Terlebih lagi, ion-ion yang terperangkap disusun dalam satu baris (atau, baru-baru ini, sebuah perulangan “balapan”). Konfigurasi ini menyulitkan untuk melibatkan satu qubit ion dengan qubit ion lainnya, katakanlah, 20 tempat di sepanjang baris. “Perangkap ion pada dasarnya bersifat satu dimensi,” kata Adams. “Anda harus mengaturnya dalam satu baris, dan sangat sulit untuk melihat bagaimana Anda bisa mendapatkan hingga seribu qubit dengan cara itu.”

Susunan atom netral dapat berupa kisi dua dimensi, yang lebih mudah untuk ditingkatkan skalanya. “Anda dapat memasukkan banyak hal ke dalam sistem yang sama, dan mereka tidak berinteraksi jika Anda tidak menginginkannya,” kata Saffman. Kelompoknya dan kelompok lainnya telah menjebak lebih dari 1,000 atom netral dengan cara ini. “Kami yakin kami bisa mengemas puluhan bahkan ratusan ribu dalam satu perangkat berskala sentimeter,” ujarnya.

Memang benar, dalam penelitian mereka baru-baru ini, tim di Caltech menciptakan rangkaian penjepit optik yang terdiri dari sekitar 6,100 atom cesium netral, meskipun mereka belum melakukan komputasi kuantum apa pun dengannya. Qubit-qubit ini juga memiliki waktu koherensi sebesar 12.6 detik, sebuah rekor sejauh ini untuk jenis qubit ini.

Blokade Rydberg

Agar dua atau lebih qubit menjadi terjerat, mereka perlu berinteraksi satu sama lain. Atom-atom netral “merasakan” kehadiran satu sama lain melalui apa yang disebut gaya van der Waals, yang muncul dari cara satu atom merespons fluktuasi awan elektron di atom lain di dekatnya. Namun gaya lemah ini hanya dirasakan ketika atom-atom berada sangat berdekatan. Memanipulasi atom normal hingga presisi yang diperlukan menggunakan medan cahaya tidak dapat dilakukan.

Seperti yang dikemukakan Lukin dan rekan-rekannya dalam proposal awal mereka pada tahun 2000, jarak interaksi dapat ditingkatkan secara dramatis jika kita memperbesar ukuran atom itu sendiri. Semakin banyak energi yang dimiliki sebuah elektron, semakin jauh ia cenderung menjauh dari inti atom. Jika laser digunakan untuk memompa elektron ke keadaan energi yang jauh lebih besar daripada yang biasanya ditemukan pada atom – disebut keadaan Rydberg setelah fisikawan Swedia Johannes Rydberg, yang pada tahun 1880-an mempelajari cara atom memancarkan cahaya pada panjang gelombang diskrit – elektron dapat menjelajah ribuan kali lebih jauh dari inti daripada biasanya.

Peningkatan ukuran ini memungkinkan dua atom yang berjarak beberapa mikrometer – sangat mungkin dilakukan dalam perangkap optik – untuk berinteraksi.

Untuk menerapkan algoritma kuantum, para peneliti pertama-tama menyandikan informasi kuantum dalam sepasang tingkat energi atom, menggunakan laser untuk mengalihkan elektron antar tingkat tersebut. Mereka kemudian melibatkan keadaan atom dengan mengaktifkan interaksi Rydberg di antara mereka. Suatu atom tertentu mungkin tereksitasi ke keadaan Rydberg atau tidak, bergantung pada tingkat energi yang mana dari elektronnya – hanya satu dari tingkat energi ini yang berada pada energi yang tepat untuk beresonansi dengan frekuensi laser eksitasi. Dan jika atom sedang berinteraksi dengan atom lain, frekuensi eksitasi ini bergeser sedikit sehingga elektron tidak beresonansi dengan cahaya dan tidak dapat melakukan lompatan. Ini berarti hanya satu atau sepasang atom yang berinteraksi yang dapat mempertahankan keadaan Rydberg setiap saat; keadaan kuantumnya berkorelasi — atau dengan kata lain, terjerat. Yang pertama disebut blokade Rydberg diusulkan oleh Lukin dan rekan-rekannya pada tahun 2001 sebagai cara untuk menjerat qubit atom Rydberg, terdapat efek semua atau tidak sama sekali: Ada blokade Rydberg atau tidak. “Blokade Rydberg membuat interaksi antar atom menjadi digital,” kata Lukin.

Di akhir perhitungan, laser membaca keadaan atom: Jika suatu atom berada dalam keadaan beresonansi dengan iluminasi, cahayanya akan tersebar, tetapi jika atom berada dalam keadaan lain, tidak ada hamburan.

Pada tahun 2004, tim di Universitas Connecticut menunjukkan blokade Rydberg antara atom rubidium, terperangkap dan didinginkan hingga hanya 100 mikrokelvin di atas nol mutlak. Mereka mendinginkan atom dengan menggunakan laser untuk “menyedot” energi panas atom. Pendekatan ini berarti bahwa, tidak seperti qubit superkonduktor, atom netral tidak memerlukan pendinginan kriogenik dan tidak memerlukan zat pendingin yang rumit. Oleh karena itu, sistem ini dapat dibuat sangat kompak. “Peralatan secara keseluruhan berada pada suhu kamar,” kata Saffman. “Satu sentimeter dari atom-atom super dingin ini, Anda memiliki jendela suhu ruangan.”

Pada tahun 2010 Saffman dan rekan kerjanya melaporkan gerbang logika pertama — elemen dasar komputer, di mana satu atau lebih sinyal masukan biner menghasilkan keluaran biner tertentu — dibuat dari dua atom menggunakan blokade Rydberg. Kemudian, yang krusial, pada tahun 2016, tim dan kelompok penelitian Lukin di Perancis dan Korea Selatan semuanya secara mandiri tahu bagaimana memuat banyak atom netral ke dalam susunan perangkap optik dan memindahkannya sesuka hati. “Inovasi ini membawa kehidupan baru di lapangan,” ujarnya Stephan Durr dari Institut Optik Kuantum Max Planck di Garching, Jerman, yang menggunakan atom Rydberg untuk eksperimen dalam pemrosesan informasi kuantum berbasis cahaya.

Sebagian besar pekerjaan sejauh ini menggunakan atom rubidium dan cesium, tetapi fisikawan Jeff Thompson di Universitas Princeton lebih memilih pengkodean informasi dalam keadaan putaran nuklir atom logam seperti strontium dan ytterbium, yang memiliki waktu koherensi lebih lama. Oktober lalu, Thompson dan rekannya melaporkan gerbang logika dua qubit dibuat dari sistem ini.

Dan blokade Rydberg tidak harus dilakukan di antara atom-atom yang berdiri sendiri. Musim panas lalu, Adams dan rekan kerjanya menunjukkan bahwa mereka dapat membuat blokade Rydberg antara atom dan molekul yang terperangkap, yang mereka buat secara artifisial dengan menggunakan pinset optik untuk menarik atom cesium di sebelah atom rubidium. Keuntungan sistem atom-molekul hibrid adalah atom dan molekul memiliki energi yang sangat berbeda, sehingga memudahkan manipulasi salah satu atom dan molekul tanpa mempengaruhi yang lain. Terlebih lagi, qubit molekuler dapat memiliki waktu koherensi yang sangat lama. Adams menekankan bahwa sistem hibrida semacam itu setidaknya tertinggal 10 tahun dari sistem semua atom, dan keterjeratan dua qubit semacam itu belum tercapai. “Sistem hibrida sangat sulit,” kata Thompson, “tetapi kita mungkin terpaksa melakukannya suatu saat nanti.”

Qubit Fidelitas Tinggi

Tidak ada qubit yang sempurna: Semua bisa menimbulkan kesalahan. Dan jika hal ini tidak terdeteksi dan tidak dikoreksi, maka akan mengacaukan hasil penghitungan.

Namun kendala besar bagi semua komputasi kuantum adalah bahwa kesalahan tidak dapat diidentifikasi dan diperbaiki seperti yang terjadi pada komputer klasik, di mana suatu algoritma hanya melacak keadaan bit-bit tersebut dengan membuat salinan. Kunci dari komputasi kuantum adalah keadaan qubit tidak dapat ditentukan sampai hasil akhirnya dibacakan. Jika Anda mencoba mengukur keadaan tersebut sebelum titik tersebut, Anda menghentikan penghitungan. Lalu, bagaimana qubit dapat dilindungi dari kesalahan yang bahkan tidak dapat kita pantau?

Salah satu jawabannya adalah dengan menyebarkan informasi ke banyak qubit fisik — yang merupakan satu “qubit logis” — sehingga kesalahan pada salah satu qubit tidak merusak informasi yang dikodekan secara kolektif. Ini hanya menjadi praktis jika jumlah qubit fisik yang dibutuhkan untuk setiap qubit logis tidak terlalu banyak. Biaya overhead tersebut sebagian bergantung pada algoritma koreksi kesalahan yang digunakan.

Qubit logis yang dikoreksi kesalahan telah didemonstrasikan dengan qubit superkonduktor dan ion terperangkap, namun hingga saat ini belum jelas apakah qubit tersebut dapat dibuat dari atom netral. Hal ini berubah pada bulan Desember, ketika tim Harvard mengungkap susunan beberapa ratus atom rubidium yang terperangkap dan menjalankan algoritma pada 48 qubit logis, masing-masing terbuat dari tujuh atau delapan atom fisik. Para peneliti menggunakan sistem tersebut untuk melakukan operasi logis sederhana yang disebut gerbang NOT terkontrol, di mana status 1 dan 0 qubit dibalik atau dibiarkan tidak berubah tergantung pada status qubit “kontrol” kedua. Untuk melakukan perhitungan, para peneliti memindahkan atom-atom di antara tiga wilayah berbeda di ruang perangkap: susunan atom, wilayah interaksi (atau “zona gerbang”) tempat atom-atom tertentu diseret dan dijerat menggunakan blokade Rydberg, dan zona pembacaan. . Semua ini dimungkinkan, kata Adams, karena “sistem Rydberg memberi Anda semua kemampuan untuk mengacak qubit dan memutuskan siapa yang berinteraksi dengan siapa, yang memberi Anda fleksibilitas yang tidak dimiliki qubit superkonduktor.”

Tim Harvard mendemonstrasikan teknik koreksi kesalahan untuk beberapa algoritma qubit logis sederhana, meskipun untuk algoritma terbesar, dengan 48 qubit logis, mereka hanya mencapai deteksi kesalahan. Menurut Thompson, eksperimen terakhir tersebut menunjukkan bahwa “mereka dapat secara istimewa menolak hasil pengukuran yang memiliki kesalahan, dan oleh karena itu mengidentifikasi subkumpulan hasil dengan kesalahan yang lebih rendah.” Pendekatan ini disebut pasca-seleksi, dan meskipun dapat berperan dalam koreksi kesalahan kuantum, pendekatan ini tidak menyelesaikan masalah dengan sendirinya.

Atom Rydberg mungkin cocok untuk kode koreksi kesalahan yang baru. Kode yang digunakan dalam penelitian di Harvard, disebut kode permukaan, “sangat populer namun juga sangat tidak efisien,” kata Saffman; itu cenderung memerlukan banyak qubit fisik untuk membuat satu qubit logis. Kode koreksi kesalahan lain yang lebih efisien memerlukan interaksi jarak jauh antar qubit, bukan hanya pasangan tetangga terdekat. Praktisi komputasi kuantum atom netral berpendapat bahwa interaksi Rydberg jangka panjang dapat menyelesaikan tugas tersebut. “Saya sangat optimis bahwa percobaan selama dua hingga tiga tahun ke depan akan menunjukkan kepada kita bahwa biaya overhead tidak seburuk yang diperkirakan orang,” kata Lukin.

Meskipun masih banyak yang harus dilakukan, Steane menganggap penelitian di Harvard ini sebagai “sebuah langkah perubahan dalam sejauh mana protokol koreksi kesalahan telah direalisasikan di laboratorium.”

Berputar

Kemajuan seperti ini membuat qubit atom Rydberg bersaing ketat dengan pesaingnya. “Kombinasi gerbang fidelitas tinggi, jumlah qubit yang besar, pengukuran dengan akurasi tinggi, dan konektivitas yang fleksibel memungkinkan kami menganggap susunan atom Rydberg sebagai pesaing nyata bagi qubit superkonduktor dan ion terperangkap,” kata Steane.

Dibandingkan dengan qubit superkonduktor, teknologi ini memiliki biaya investasi yang lebih kecil. Grup Harvard memiliki perusahaan spin-off bernama QuEra, yang telah membuat prosesor kuantum Rydberg 256-qubit disebut Aquila — “simulator kuantum” analog yang dapat menjalankan simulasi sistem banyak partikel kuantum — tersedia di cloud dalam kemitraan dengan platform komputasi kuantum Braket Amazon. QuEra juga berupaya untuk memajukan koreksi kesalahan kuantum.

Saffman bergabung dengan sebuah perusahaan bernama Infleksi, yang mengembangkan platform optik atom netral untuk sensor dan komunikasi kuantum serta komputasi kuantum. “Saya tidak akan terkejut jika salah satu perusahaan IT besar segera menjalin kemitraan dengan salah satu spin-off ini,” kata Adams.

“Melakukan koreksi kesalahan terukur dengan qubit atom netral sangat mungkin dilakukan,” kata Thompson. “Saya pikir 10,000 qubit atom netral jelas mungkin terjadi dalam beberapa tahun.” Selain itu, ia berpendapat bahwa keterbatasan praktis pada kekuatan dan resolusi laser akan diperlukan desain modular di mana beberapa susunan atom berbeda dihubungkan bersama.

Jika itu terjadi, siapa yang tahu apa yang akan terjadi? “Kami bahkan belum tahu apa yang bisa kami lakukan dengan komputasi kuantum,” kata Lukin. “Saya sangat berharap kemajuan baru ini akan membantu kita menjawab pertanyaan-pertanyaan ini.”