Simulator Kuantum 53‑Qubit Pemecah Rekor Diluncurkan

• Fisikawan telah membuat 53 magnet kuantum yang berinteraksi, sehingga memungkinkan konfigurasi kuadriliun magnet.
• Ini adalah komputer kuantum tipe terbatas yang menggunakan qubit atom untuk meniru materi kuantum yang rumit.
• Mereka mengukur setiap qubit dengan efisiensi sekitar 99 persen.

Fisikawan di Universitas Maryland dan Institut Standar dan Teknologi Nasional telah menggunakan 53 qubit atom yang berinteraksi untuk meniru materi kuantum magnetik, sehingga memecahkan rekor baru. Ini adalah simulasi kuantum terbesar yang pernah dilakukan dengan pengukuran satu kali pengukuran qubit individu dengan efisiensi tinggi.

Mereka menggunakan hingga 53 ion ytterbium, yang merupakan atom-atom yang diubah yang terperangkap oleh elektroda berlapis emas yang setajam silet. Sistem pelengkap yang dikembangkan oleh ilmuwan MIT dan Harvard menggunakan 51 atom rubidium yang dibatasi oleh sinar laser. Platform eksperimental ini dapat diperluas untuk memecahkan masalah kuantum sulit (seperti pengambilan sampel Ising) yang jauh melampaui batas superkomputer modern tercepat.

Simulasi dengan jumlah qubit ion yang terperangkap dalam jumlah lebih kecil telah ditunjukkan, dan kini dengan tingkat kontrol yang lebih tinggi terhadap interaksi antar putaran, sistem ini dapat ditingkatkan menjadi komputer kuantum universal.

Semua qubit ion adalah jam atom stabil yang dapat direplikasi dengan mudah. Sinar laser eksternal digunakan untuk menyatukannya secara efisien, yang berarti perangkat yang sama dapat dikonfigurasi ulang tanpa mengganggu pengaturan internal. Hal ini dilakukan untuk mengadaptasi segala jenis aplikasi komputasi kuantum yang muncul di masa depan. Mari kita cari tahu apa yang sebenarnya mereka kembangkan dan apa manfaatnya.

Apa Sebenarnya Simulator Kuantum itu?

Sistem kuantum sulit dipelajari di laboratorium dan hampir tidak mungkin untuk dimodelkan menggunakan superkomputer, itulah sebabnya kami menggunakan simulator kuantum untuk mempelajari pola dan fitur komputasi kuantum. Mereka dikembangkan secara khusus untuk memberikan rincian masalah fisika tertentu.

Teknik untuk mensimulasikan sistem kuantum dengan banyak partikel memerlukan waktu eksponensial pada komputer konvensional. Namun, kita dapat mensimulasikannya melalui komputer kuantum menggunakan beberapa bit kuantum yang serupa dengan jumlah partikel di sistem aslinya. Hal ini telah diperluas ke berbagai kategori sistem kuantum.

Hingga saat ini, simulator kuantum telah direalisasikan pada berbagai platform seperti ion yang terperangkap, sirkuit superkonduktor, gas kuantum ultradingin, dan sistem fotonik.

Menggunakan Perangkat Keras Quantum Untuk Masalah Quantum

Superkomputer modern tidak dapat menangani lebih dari 20 objek kuantum yang berinteraksi. Ini adalah kasus magnetisme kuantum, di mana interaksi dapat mengarah pada keselarasan magnet pada skala kuantum.

Masalah kuantum biasanya sulit karena setiap magnet berinteraksi dengan magnet lain dalam sistem. Simulator yang dikembangkan fisikawan memiliki 53 magnet kuantum yang saling berinteraksi, sehingga memungkinkan konfigurasi kuadriliun magnet. Jumlah ini bertambah dua kali lipat dengan penambahan setiap magnet.

Ini adalah jenis komputer kuantum terbatas yang menggunakan qubit untuk meniru materi kuantum yang rumit. Qubit dapat diisolasi dan dapat berada dalam dua status atau lebih sekaligus. Mereka datang dalam berbagai bentuk dan pilihan yang paling disukai untuk membangun qubit adalah atom, yang merupakan bahan penyusun serbaguna dari segala hal. Dalam beberapa tahun terakhir, fisikawan telah mencapai kesuksesan besar dalam mengendalikan hingga 20 qubit dalam simulasi kuantum skala kecil.

Mengapa Menggunakan Atom?

Untuk melindungi sifat kuantum perangkat, qubit harus tetap terisolasi dari lingkungan. Perlindungan menjadi lebih sulit dengan penambahan setiap qubit, terutama jika qubit tersebut tidak identik sejak awal, seperti pada sirkuit buatan. Inilah salah satu alasan utama mengapa atom lebih disukai untuk qubit. Dengan atom, mesin kuantum dapat ditingkatkan dengan mudah dibandingkan dengan sirkuit buatan.

Tidak seperti komputer saat ini, qubit atom disimpan di dalam ruang vakum pada suhu kamar, sehingga tekanannya sangat mirip dengan tekanan di luar angkasa. Isolasi qubit memungkinkan para fisikawan mengontrol qubit atom secara tepat menggunakan laser khusus, cermin, serat optik, lensa, dan sirkuit listrik.
Saat ini, sebagian besar perusahaan raksasa teknologi, universitas, dan bahkan perusahaan rintisan berfokus pada pengembangan prototipe mesin kuantum yang dapat mengendalikan qubit dalam jumlah besar.

Simulator 53-Qubit

Semua qubit atom memiliki muatan listrik yang sama, sehingga saling tolak menolak. Saat mereka mendorong satu sama lain lebih jauh, medan listrik yang disesuaikan memaksa mereka kembali bersatu. Kedua gaya ini saling menyeimbangkan, membuat ion-ion tetap berada dalam satu garis. Para ilmuwan memanfaatkan gaya tolak menolak untuk menghasilkan interaksi ion-ke-ion, yang penting untuk mensimulasikan interaksi materi kuantum.

Pulsa laser mengontrol semua qubit dan memerintahkannya ke keadaan yang sama untuk memulai simulasi kuantum. Kumpulan sinar laser lainnya kemudian berinteraksi dengan qubit atom, menjadikannya bertindak seperti magnet kecil. Sekarang qubit dapat menunjuk ke arah acak, sehingga tidak ada magnetisasi, atau menyelaraskan kutubnya dengan tetangganya untuk menciptakan feromagnet. Para ilmuwan dapat mengubah kekuatan sinar dan menganalisis fase mana yang lebih unggul dalam berbagai kondisi laser.

Referensi:  Universitas Maryland | Alam | DOI:10.1038/nature24654

Hanya dibutuhkan beberapa milidetik untuk keseluruhan simulasi berlangsung. Dengan mengulangi proses ini beberapa kali dan menganalisis keadaan akhir pada titik yang berbeda, para ilmuwan dapat mengamati proses yang berlangsung dari awal hingga akhir. Memahami bagaimana magnet qubit diatur menurut fase yang berbeda akan membantu.

Seniman menggambar laser yang memanipulasi qubit atom | Kredit:E. Edwards/JQI

Tim peneliti menerapkan interaksi jarak jauh dengan jangkauan dan kekuatan yang dapat dikontrol, dan menghitung setiap qubit dengan efisiensi sekitar 99 persen, yang berarti banyak korelasi tubuh antar qubit dapat dihitung dalam satu kesempatan, memungkinkan transisi fase dinamis untuk menyelidiki secara langsung dan mengungkap fitur-fitur sulit yang mengandalkan konektivitas tinggi dan interaksi jarak jauh antar qubit.

Meskipun simulator ini sesuai untuk menyelidiki materi magnetik, berbagai jenis penghitungan memerlukan mesin kuantum yang lebih umum dengan interaksi yang dapat diprogram agar dapat bekerja secara efektif.

Apa Selanjutnya?

Jenis simulator kuantum ini akan membantu para ilmuwan menerapkan sirkuit kuantum, dan pada akhirnya kuantum menghubungkan beberapa rantai ion untuk mengembangkan komputer kuantum lengkap dengan berbagai aplikasi.

Baca:10+ Fakta Paling Menarik Tentang Komputer Quantum

Tim peneliti mengklaim, dalam waktu dekat mereka akan mampu mengendalikan hingga 100 ion qubit atau lebih. Pada titik ini, mereka berpotensi mengeksplorasi masalah yang lebih sulit lagi dalam desain material dan kimia kuantum. D-Wave, sebaliknya, mengklaim memproduksi 2.000 qubit dalam sebuah chip.

Sebaliknya, Intel, Google, dan IBM menggunakan sirkuit elektronik superkonduktor untuk membangun komputer kuantum mereka sendiri.