CAMBRIDGE - Sebuah tim fisikawan dari Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms, dan universitas lain telah mengembangkan jenis komputer kuantum khusus yang dikenal sebagai simulator kuantum, yang dapat diprogram yang mampu beroperasi dengan 256 bit kuantum, atau "qubit".
Sistem ini menandai langkah besar menuju pembuatan mesin kuantum skala besar yang dapat digunakan untuk menjelaskan sejumlah proses kuantum kompleks dan akhirnya membantu membawa terobosan dunia nyata dalam ilmu material, teknologi komunikasi, keuangan, dan banyak bidang lainnya, mengatasi rintangan penelitian yang berada di luar kemampuan superkomputer tercepat sekalipun saat ini. Qubit adalah blok bangunan dasar di mana komputer kuantum berjalan dan sumber kekuatan pemrosesan besar mereka.
"Ini memindahkan bidang ini ke domain baru yang sejauh ini belum pernah dikunjungi siapa pun. Kami memasuki bagian yang sama sekali baru dari dunia kuantum," kata Mikhail Lukin, salah satu direktur Harvard Quantum Initiative, dan salah satu penulis senior studi yang diterbitkan di jurnal Nature itu, Rabu (6/4).
Menurut Sepehr Ebadi, mahasiswa fisika di Graduate School of Arts and Sciences dan penulis utama studi tersebut, kombinasi ukuran sistem yang belum pernah terjadi sebelumnya dan kemampuan program yang menempatkannya di ujung tombak perlombaan komputer kuantum, yang memanfaatkan sifat misterius materi pada skala yang sangat kecil untuk meningkatkan kekuatan pemrosesan.
Dalam situasi yang tepat, peningkatan qubit berarti sistem dapat menyimpan dan memproses lebih banyak informasi secara eksponensial daripada bit klasik tempat komputer standar dijalankan.
"Jumlah keadaan kuantum yang mungkin dengan hanya 256 qubit melebihi jumlah atom di tata surya," kata Ebadi, menjelaskan ukuran besar sistem itu.
Simulator telah memungkinkan para peneliti untuk mengamati beberapa keadaan kuantum materi eksotis yang belum pernah direalisasikan sebelumnya secara eksperimental, dan untuk melakukan studi transisi fase kuantum yang sangat tepat sehingga berfungsi sebagai contoh buku teks tentang bagaimana magnet bekerja pada tingkat kuantum. Eksperimen ini memberikan wawasan yang kuat tentang fisika kuantum yang mendasari sifat material dan dapat membantu menunjukkan kepada para ilmuwan bagaimana merancang material baru dengan sifat eksotis.
Proyek ini menggunakan versi platform yang ditingkatkan secara signifikan yang dikembangkan para peneliti pada 2017, yang mampu mencapai ukuran 51 qubit. Sistem yang lebih tua memungkinkan para peneliti untuk menangkap atom rubidium ultra-dingin dan mengaturnya dalam urutan tertentu menggunakan array satu dimensi dari sinar laser yang terfokus secara individual yang disebut pinset optik.
Sistem baru ini memungkinkan atom untuk dirakit dalam susunan dua dimensi pinset optik. Ini meningkatkan ukuran sistem yang dapat dicapai dari 51 menjadi 256 qubit. Dengan menggunakan pinset, peneliti dapat mengatur atom dalam pola bebas cacat dan membuat bentuk yang dapat diprogram seperti kisi persegi, sarang lebah, atau segitiga untuk merekayasa interaksi yang berbeda antara qubit.
"Pekerja keras platform baru ini adalah perangkat yang disebut modulator cahaya spasial, yang digunakan untuk membentuk muka gelombang optik untuk menghasilkan ratusan balok pinset optik yang difokuskan secara individual," kata Ebadi.
"Perangkat ini pada dasarnya sama dengan apa yang digunakan di dalam proyektor komputer untuk menampilkan gambar di layar, tetapi kami telah mengadaptasinya menjadi komponen penting dari simulator kuantum kami," tambahnya.
Pemuatan awal atom ke dalam pinset optik dilakukan acak, dan para peneliti harus memindahkan atom untuk mengaturnya ke dalam geometri target mereka. Para peneliti menggunakan set kedua pinset optik bergerak untuk menyeret atom ke lokasi yang diinginkan, menghilangkan keacakan awal. Laser memberi para peneliti kendali penuh atas posisi qubit atom dan manipulasi kuantum yang koheren.
Penulis senior lain dari penelitian ini termasuk Subir Sachdev dan Markus Greiner, yang mengerjakan proyek tersebut bersama dengan Profesor Institut Teknologi Massachusetts Vladan Vuleti, dan ilmuwan dari Stanford, Universitas California Berkeley, Universitas Innsbruck di Austria, Austria. Academy of Sciences, dan QuEra Computing Inc. di Boston.
"Pekerjaan kami adalah bagian dari perlombaan global yang sangat intens, dengan visibilitas tinggi untuk membangun komputer kuantum yang lebih besar dan lebih baik. Upaya keseluruhan [di luar upaya kami] melibatkan lembaga penelitian akademis terkemuka dan investasi sektor swasta besar dari Google, IBM, Amazon, dan banyak lainnya," kata Tout Wang, rekan peneliti fisika di Harvard dan salah satu penulis makalah tersebut.
Para peneliti saat ini bekerja untuk meningkatkan sistem dengan meningkatkan kontrol laser atas qubit dan membuat sistem lebih dapat diprogram. Mereka juga secara aktif mengeksplorasi bagaimana sistem dapat digunakan untuk aplikasi baru, mulai dari menyelidiki bentuk eksotik materi kuantum hingga memecahkan masalah dunia nyata yang menantang yang dapat dikodekan secara alami pada qubit.
