Google membuat terobosan dalam komputasi kuantum: tingkat kesalahan turun 40 kali lipat, mengatasi hambatan sumber daya utama

Tim Quantum AI Google telah mencapai kemajuan penting di bidang komputasi kuantum, yang berpotensi memangkas secara signifikan biaya perangkat keras yang dibutuhkan untuk membangun sistem kuantum yang praktis.

Penelitian terkait dipublikasikan pada hari Kamis di jurnal Science. Google telah memverifikasi sebuah teknologi bernama "magic state cultivation" pada prosesor Willow mereka, yang menurunkan tingkat kesalahan kuantum sekitar 40 kali lipat, dengan fidelitas logika T-state mencapai 99,99%. Ini merupakan rekor tertinggi di bidang ini hingga saat ini.

Produksi magic state telah lama dianggap sebagai hambatan utama dalam skala komputasi kuantum—diperkirakan hingga 95% daya komputasi komputer kuantum mungkin perlu didedikasikan untuk menghasilkan magic state, sehingga sumber daya yang benar-benar digunakan untuk komputasi sangatlah terbatas.

Jika terobosan ini berhasil diperluas, maka akan sangat mengurangi skala perangkat keras yang dibutuhkan untuk membangun sistem kuantum yang tolerant-kesalahan, yang sangat penting bagi jalur komersialisasi komputasi kuantum.

Google juga menyatakan bahwa teknologi ini masih perlu divalidasi pada skala yang lebih besar, dan masih cukup jauh dari komputasi kuantum yang praktis.

Hingga berita ini diturunkan, harga saham Google naik 0,24% pada hari Kamis.

Magic state adalah elemen kunci untuk mewujudkan komputasi kuantum "universal". Agar prosesor kuantum dapat melakukan operasi yang tidak dapat dilakukan komputer klasik, mereka harus bergantung pada magic state untuk menghasilkan serangkaian operasi kuantum yang diperlukan. Namun, magic state tidak dapat digunakan kembali setelah dipakai, sehingga menjadi sumber daya yang langka.

Tantangan yang lebih besar terletak pada biaya produksinya. Beberapa penelitian memperkirakan bahwa komputer kuantum mungkin perlu mendedikasikan hingga 95% total daya komputasinya untuk produksi magic state, sehingga sumber daya yang tersedia untuk tugas komputasi aktual sangat terbatas.

Bottleneck ini telah diprediksi oleh para peneliti sejak tahun 2004, dan dalam dua dekade berikutnya, komunitas ilmiah terus mencari cara untuk menurunkan biaya produksi magic state, namun kemajuannya lambat.

Pada tahun 2024, peneliti Quantum AI Google Craig Gidney, Noah Shutty, dan Cody Jones mengusulkan skema magic state cultivation berdasarkan literatur yang ada.

Inti dari skema ini adalah mendesain proses produksi magic state sebagai serangkaian mekanisme penyaringan: menyuntikkan quantum state yang mengandung noise ke satu area kecil pada chip, kemudian mengidentifikasi dan mengeliminasi percobaan yang gagal melalui serangkaian pengukuran yang sangat terkoordinasi, sehingga “mengembangkan” quantum state dengan kemurnian tinggi dan tingkat kesalahan rendah, sembari menyandikannya ke dalam bentuk yang dapat digunakan dalam skala lebih besar.

Namun, penerapan dari teori ke perangkat keras tidaklah mudah. Ilmuwan riset Emma Rosenfeld pada pengujian awal terus mendapatkan data yang "seolah-olah bertentangan dengan hukum fisika".

Setelah berbulan-bulan investigasi, tim menemukan akar masalah terletak pada asumsi keliru dari teknologi benchmark pengukuran—noise yang dihasilkan oleh pergeseran kelistrikan dan perubahan suhu di laboratorium mengintervensi validitas uji benchmark.

Untuk itu, tim menambahkan kontrol ekstra pada sistem untuk menekan pengaruh noise, serta menciptakan teknik benchmark baru yang menggunakan proses cultivation itu sendiri sebagai alat kalibrasi otomatis.

Pada prosesor Willow, skema di atas berhasil menurunkan tingkat kesalahan sekitar 40 kali dibandingkan quantum state tanpa cultivation, dengan fidelitas logika T-state mencapai 99,99%, memecahkan rekor di bidang ini.

Tim Google juga telah menyelesaikan demonstrasi penting lainnya: memverifikasi bahwa magic state hasil cultivation dapat dipindahkan dengan lancar antara dua skema quantum error correction yang berbeda—khususnya, memindahkan quantum state dari color code Distance-3 (metode error correction yang lebih baru dan cocok untuk operasi cultivation) ke surface code Distance-5 (metode error correction yang lebih matang).

Operasi “cangkok” ini membuktikan bahwa quantum state yang dimurnikan dapat bertahan stabil dan berpindah dengan lancar di dalam perangkat keras, membuka jalan bagi integrasi teknologi magic state cultivation ke dalam arsitektur komputasi kuantum Google yang ada.