Startup Jerman Berhasil Kembangkan Komputer Kuantum Portabel Bertenaga Berlian Pertama di Dunia

JAKARTA - Sebuah perusahaan rintisan (startup) asal Jerman telah meluncurkan sistem komputasi kuantum berbasis berlian pertama di dunia yang melampaui kapasitas 10 qubit.

Dilansir Live Science, mesin yang dikembangkan oleh para insinyur di Saxon Q ini merupakan komputer kuantum nitrogen-vacancy (NV); artinya, mesin tersebut memanfaatkan cacat pada berlian sintetis sebagai quantum bit (qubit) untuk menjalankan operasi kuantum. Qubit dapat dimanipulasi untuk merepresentasikan data berupa angka 0 dan 1, serta keadaan kuantum yang merupakan superposisi dari kedua nilai tersebut.

Perangkat keras ini saat ini tersedia dalam sistem yang dipasang di rak (rack-mounted) dengan kapasitas hingga 128 qubit, sementara konfigurasi 512-qubit dijadwalkan untuk pengiriman tahun depan. Berdasarkan peta jalan perusahaan, targetnya adalah meningkatkan skala hingga mencapai 10.000 qubit atau lebih setelah tahun 2030.

Meskipun teknologi ini sudah ada sebelum peluncuran ini, para ilmuwan sebelumnya kesulitan membangun sistem yang melampaui 10 qubit karena tantangan dalam menciptakan qubit berbasis nitrogen-vacancy (kekosongan nitrogen). Sejauh ini tampaknya belum ada penelitian yang dipublikasikan—sebelum peluncuran ini—yang menunjukkan komputer kuantum fungsional berbasis arsitektur NV yang beroperasi dengan lebih dari 10 qubit.

Masih belum jelas bagaimana kinerja komputer kuantum perusahaan ini dibandingkan dengan platform lainnya.

Mekanika Kuantum dan Berlian yang Memiliki Cacat

Pada tahun 1970-an, para ilmuwan menemukan bahwa jenis berlian tertentu memancarkan cahaya merah yang cemerlang saat disinari dengan cara khusus. Penelitian lanjutan menyimpulkan bahwa perubahan optis tersebut disebabkan oleh proses annealing (pemanasan dan pendinginan terkendali) terhadap kerusakan akibat radiasi, yang menarik atom nitrogen substitusional yang terisolasi. Dengan kata lain, alam terkadang menghasilkan berlian yang memiliki atom nitrogen pada posisi yang seharusnya ditempati oleh atom karbon.

Atom-atom nitrogen yang tidak terintegrasi tertarik ke arah kekosongan (vakansi) dalam susunan atom karbon yang teratur sempurna di dalam berlian. Meskipun berlian dengan cacat semacam ini jarang ditemukan di alam, para ilmuwan dapat menciptakan berlian yang memiliki kekosongan nitrogen di laboratorium.

Secara fungsional, atom nitrogen tunggal di dalam kekosongan tersebut berperilaku seolah-olah "terperangkap," dan elektron-elektronnya dapat melakukan "spin" (berotasi) secara independen dari elektron-elektron pada atom karbon di sekitarnya.

Para ilmuwan memanfaatkan karakteristik "spin" ini dengan menggunakan laser khusus untuk menempatkan elektron atom nitrogen pada kondisi tertentu yang mereka tetapkan sebagai "nol." Selanjutnya, mereka dapat menggunakan pulsa gelombang mikro untuk memanipulasi elektron tersebut secara presisi ke dalam berbagai konfigurasi, termasuk kondisi kuantum yang tidak dapat dicapai oleh "bit" biner.

Marius Grundmann, seorang profesor fisika eksperimental di Universitas Leipzig sekaligus salah satu pendiri Saxon Q, menyatakan bahwa terobosan yang memungkinkan perusahaannya melampaui batasan 10-qubit adalah sebuah penemuan di bidang material.

Saat tim Saxon Q menciptakan kekosongan di dalam berlian hasil rekayasa laboratorium mereka, mereka melakukan implantasi bersama (co-implant) dengan belerang. Menurut Grundmann, "Itulah poin teknologi kuncinya. Sebab, belerang meningkatkan potensial kimia hingga ke titik yang bermuatan negatif. Belerang menyuplai elektron; belerang juga membuat kekosongan tersebut terikat pada nitrogen dengan tingkat keberhasilan yang sangat tinggi."

Dengan kata lain, melalui implantasi bersama atom belerang, para peneliti Saxon Q dapat mengendalikan qubit-qubit individu secara lebih baik. Setelah qubit diatur menggunakan laser dan dikenai pulsa gelombang mikro, qubit tersebut siap untuk menjalani proses koreksi kesalahan. Dalam sebuah pernyataan, perwakilan Saxon Q menyebutkan bahwa qubit-qubit tersebut mencapai tingkat fidelitas 99,92%—kurang dari satu kesalahan per 1.000 operasi—sebelum koreksi kesalahan dilakukan.

Namun, Grundmann mengungkapkan kepada Live Science bahwa data terbaru per 22 Juli menunjukkan tingkat fidelitas 99,98% pada operasi qubit tunggal. Angka tersebut sebanding dengan hasil koreksi kesalahan mutakhir yang dilaporkan oleh laboratorium komputasi kuantum lainnya, seperti milik IBM dan MIT, meskipun hasil tersebut tidak dapat diverifikasi secara independen.

Komputasi Kuantum Suhu Ruangan

Sulit untuk membandingkan sistem NV berbasis berlian milik Saxon Q dengan platform komputasi kuantum yang lebih mapan, seperti qubit superkonduktor. Sebagian besar penelitian terkini mengenai sistem NV berfokus pada aplikasi penginderaan kuantum, meskipun setidaknya ada satu studi pracetak yang membahas sistem hibrida NV/superkonduktor.

"Kami memiliki komputer kuantum yang berfungsi penuh," ujar Grundmann kepada Live Science. Menurut Grundmann, komputer kuantum perusahaan tersebut setara dengan komputer yang menggunakan modalitas lain. "Kami memiliki komputer kuantum yang dapat menjalankan kode kuantum yang bisa diakses melalui jaringan, dan ini merupakan sistem multi-pengguna, multi-tugas, dan multi-inti," katanya.

Jika sistem Saxon Q pada akhirnya terbukti sebanding dengan arsitektur komputasi kuantum solid-state yang ada saat ini, sistem tersebut akan menjadi salah satu generasi pertama komputer kuantum suhu ruangan yang mencapai kinerja serupa dengan sistem yang memerlukan kriogenik dan pemantauan di lokasi.

Kemudahan pemasangannya patut dicatat. Perangkat Saxon Q dapat dipasang ke dalam rak komputer standar dan dicolokkan langsung ke sumber listrik arus bolak-balik (alternating current/AC).

Hal ini memberikan keuntungan jangka pendek yang jelas bagi klien yang ingin menjalankan algoritma pada sistem kuantum tanpa harus melalui cloud. Grundmann mengatakan hal ini bisa sangat penting dalam skenario edge computing, seperti kendaraan otonom atau robotika, di mana komunikasi cloud dapat menyebabkan latensi yang tidak dapat ditoleransi.

Penelitian yang membandingkan sistem kuantum solid-state menunjukkan bahwa komputer kuantum superkonduktor biasanya beroperasi lebih cepat dibandingkan sistem NV berbasis berlian. Namun, belum jelas bagaimana trade-off antara kecepatan pemrosesan dan latensi cloud, atau apakah hal tersebut dapat diatasi melalui peningkatan skala (scaling).

Tantangan saat ini dalam meningkatkan skala komputer kuantum NV berbasis berlian hingga melampaui kisaran 512 qubit adalah ukuran cipnya. Cip Saxon Q saat ini terbatas hanya mendukung delapan atau 16 qubit. Untuk sistem yang lebih canggih, para ilmuwan perlu memadatkan ratusan—atau bahkan ribuan—qubit ke dalam satu larik guna mendukung operasi yang membutuhkan ratusan ribu atau jutaan qubit.

(Rahman Asmardika)