Supremasi Kuantum yang Menantang: Kekuatan Mengejutkan dari Komputer Klasik

Ketika persaingan antara komputasi kuantum dan komputasi klasik semakin meningkat, para ilmuwan membuat penemuan tak terduga tentang sistem kuantum.

Komputer klasik mengungguli komputer kuantum dalam simulasi sistem magnet kuantum dua dimensi, dan menunjukkan fenomena pengurungan yang tidak terduga. Penemuan para peneliti Flatiron Institute ini mendefinisikan kembali batasan praktis komputasi kuantum dan meningkatkan pemahaman tentang batasan komputasi kuantum-klasik.

Kemenangan Komputer Klasik Atas Keunggulan Kuantum

Awal tahun ini, para peneliti di Pusat Fisika Kuantum Komputasi (CCQ) Institut Flatiron mengumumkan bahwa mereka telah berhasil menggunakan komputer klasik dan model matematika canggih untuk mengungguli komputer kuantum dalam tugas yang menurut sebagian orang hanya dapat diselesaikan oleh komputer kuantum.

Kini, para peneliti tersebut telah menentukan mengapa mereka mampu mengalahkan komputer kuantum dalam permainannya sendiri. Jawaban mereka, disajikan pada tanggal 29 Oktober di Surat Tinjauan Fisikmengungkapkan bahwa masalah kuantum yang mereka tangani – yang melibatkan sistem kuantum dua dimensi tertentu dari magnet yang berputar – menampilkan perilaku yang dikenal sebagai pengurungan. Perilaku ini sebelumnya hanya terlihat dalam fisika benda terkondensasi kuantum dalam sistem satu dimensi.

Temuan tak terduga ini membantu para ilmuwan lebih memahami garis yang memisahkan kemampuan komputer kuantum dan komputer klasik dan menyediakan kerangka kerja untuk menguji simulasi kuantum baru, kata penulis utama Joseph Tindall, peneliti di CCQ.

Mengklarifikasi Batas Kuantum

“Ada batasan yang memisahkan apa yang bisa dilakukan dengan komputasi kuantum dan apa yang bisa dilakukan dengan komputer klasik,” katanya. “Saat ini, batasan tersebut sangat kabur. Saya pikir pekerjaan kami membantu memperjelas batasan itu.”

Dengan memanfaatkan prinsip-prinsip mekanika kuantum, komputer kuantum menjanjikan keuntungan besar dalam kekuatan pemrosesan dan kecepatan dibandingkan komputer klasik. Meskipun komputasi klasik dibatasi oleh operasi biner satu dan nol, komputer kuantum dapat menggunakan qubit, yang dapat mewakili 0 dan 1 secara bersamaan, untuk memproses informasi dengan cara yang berbeda secara mendasar.

Teknologi kuantum masih dalam tahap awal dan belum secara meyakinkan menunjukkan keunggulannya dibandingkan komputer klasik. Saat para ilmuwan berupaya mencari tahu keunggulan komputer kuantum, mereka menghadapi masalah kompleks yang menguji batas-batas komputer klasik dan kuantum.

Menantang Supremasi Kuantum

Hasil pengujian komputer kuantum baru-baru ini keluar pada Juni 2023, ketika peneliti IBM menerbitkan makalah di jurnal Alam. Makalah mereka merinci eksperimen yang mensimulasikan sistem dengan serangkaian magnet kecil yang berevolusi seiring waktu. Para peneliti mengklaim bahwa simulasi ini hanya dapat dilakukan dengan komputer kuantum, bukan komputer klasik. Setelah mengetahui makalah baru tersebut melalui liputan pers, Tindall memutuskan untuk menerima tantangan tersebut.

Tindall telah bekerja dengan rekan-rekannya selama beberapa tahun terakhir untuk mengembangkan algoritma dan kode yang lebih baik untuk memecahkan masalah kuantum kompleks dengan komputer klasik. Dia menerapkan metode ini pada simulasi IBM, dan hanya dalam dua minggu dia membuktikan bahwa dia dapat memecahkan masalah tersebut dengan daya komputasi yang sangat kecil — bahkan dapat dilakukan pada ponsel pintar.

“Kami tidak benar-benar memperkenalkan teknik mutakhir apa pun,” kata Tindall. “Kami menyatukan banyak ide dengan cara yang ringkas dan elegan sehingga masalah dapat diselesaikan. Ini adalah metode yang diabaikan oleh IBM dan tidak mudah diterapkan tanpa perangkat lunak dan kode yang ditulis dengan baik.”

Menjelajahi Kurungan Kuantum

Tindall dan rekan-rekannya mempublikasikan temuan mereka di jurnal Kuantum PRX pada Januari 2024, namun Tindall tidak berhenti di situ. Terinspirasi oleh kesederhanaan hasil, ia dan rekan penulisnya Dries Sels dari Flatiron Institute dan Universitas New York berangkat untuk mengetahui mengapa sistem ini dapat dengan mudah diselesaikan dengan komputer klasik padahal, di permukaan, tampaknya merupakan masalah yang sangat kompleks.

“Kami mulai memikirkan pertanyaan ini dan melihat sejumlah kesamaan dalam perilaku sistem dengan sesuatu yang dilihat orang dalam satu dimensi yang disebut kurungan,” kata Tindall.

Pengurungan adalah fenomena yang dapat muncul dalam keadaan khusus dalam sistem kuantum tertutup dan analog dengan pengurungan kuark yang dikenal dalam fisika partikel. Untuk memahami kurungan, mari kita mulai dengan beberapa dasar kuantum. Pada skala kuantum, sebuah magnet dapat diorientasikan ke atas atau ke bawah, atau dapat berada dalam 'superposisi' — suatu keadaan kuantum yang menunjuk ke atas dan ke bawah secara bersamaan. Naik atau turunnya magnet mempengaruhi besarnya energi yang dimilikinya ketika berada dalam medan magnet.

Keterikatan Terbatas dalam Sistem Tertutup

Dalam pengaturan awal sistem, semua magnet menunjuk ke arah yang sama. Sistem kemudian diganggu dengan medan magnet kecil, membuat beberapa magnet ingin terbalik, yang juga mendorong magnet di sekitarnya untuk terbalik. Perilaku ini – ketika magnet saling mempengaruhi pembalikan – dapat menyebabkan belitan, yaitu keterkaitan superposisi magnet. Seiring waktu, meningkatnya keterikatan sistem menyulitkan komputer klasik untuk melakukan simulasi.

Namun, dalam sistem tertutup, energi yang beredar hanya terbatas. Dalam sistem tertutup mereka, Tindall dan Sels menunjukkan bahwa energi yang ada hanya cukup untuk membalik kelompok orientasi yang kecil dan jarang terpisah, sehingga secara langsung membatasi pertumbuhan keterjeratan. Pembatasan keterjeratan berbasis energi ini dikenal sebagai kurungan, dan ini terjadi sebagai konsekuensi alami dari geometri dua dimensi sistem.

“Dalam sistem ini, magnet tidak akan berebut secara tiba-tiba; mereka sebenarnya hanya akan terombang-ambing di sekitar keadaan awalnya, bahkan dalam rentang waktu yang sangat lama,” kata Tindall. “Ini cukup menarik dari sudut pandang fisika karena itu berarti sistem tetap berada dalam keadaan yang memiliki struktur yang sangat spesifik dan tidak sepenuhnya tidak teratur.”

Menemukan Model Matematika untuk Pengurungan

Secara kebetulan, IBM, dalam pengujian awal mereka, telah menyiapkan masalah di mana pengorganisasian magnet dalam susunan dua dimensi yang tertutup menyebabkan pengurungan. Tindall dan Sels menyadari bahwa karena pengurungan dalam sistem mengurangi jumlah keterikatan, maka permasalahannya cukup sederhana untuk dijelaskan dengan metode klasik. Dengan menggunakan simulasi dan perhitungan matematis, Tindall dan Sels menghasilkan model matematika sederhana dan akurat yang menggambarkan perilaku ini.

Jalur Baru dalam Fisika Kuantum

“Salah satu pertanyaan besar yang terbuka dalam fisika kuantum adalah memahami kapan keterjeratan tumbuh dengan cepat dan kapan tidak,” kata Tindall. “Eksperimen ini memberi kita pemahaman yang baik tentang contoh di mana kita tidak mendapatkan keterikatan skala besar karena model yang digunakan dan struktur dua dimensi dari prosesor kuantum.”

Hasilnya menunjukkan bahwa pengurungan itu sendiri dapat muncul dalam berbagai sistem kuantum dua dimensi. Jika ya, model matematika yang dikembangkan oleh Tindall dan Sels menawarkan alat yang sangat berharga untuk memahami fisika yang terjadi dalam sistem tersebut. Selain itu, kode-kode yang digunakan dalam makalah ini dapat memberikan alat pembandingan bagi para ilmuwan eksperimental untuk digunakan saat mereka mengembangkan simulasi komputer baru untuk masalah kuantum lainnya.

Referensi: “Pengurungan Model Ising Bidang Transversal pada Kisi Hex Berat” oleh Joseph Tindall dan Dries Sels, 29 Oktober 2024, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.180402