Membuka Kekuatan Penuh Komputasi Kuantum Dengan Prosesor Superkonduktor Revolusioner
Desain prosesor kuantum baru dilengkapi router modular yang memungkinkan konektivitas qubit ditingkatkan, melepaskan diri dari batasan jaringan 2D tradisional.
Pendekatan ini bertujuan untuk scalable, toleransi terhadap kesalahan komputasi kuantum yang dapat mengubah industri dengan memecahkan masalah di luar jangkauan komputer klasik.
Inovasi Prosesor Kuantum
Peneliti di Universitas ChicagoSekolah Teknik Molekuler Pritzker (UChicago PME) telah mengembangkan desain baru untuk prosesor kuantum superkonduktor. Desain ini dapat menjadi landasan untuk membangun perangkat kuantum berskala besar dan tahan lama yang diperlukan untuk kemajuan teknologi di masa depan.
Chip kuantum tradisional mengatur qubit – unit dasar informasi kuantum – dalam grid 2D tetap, sehingga membatasi interaksi pada qubit yang berdekatan. Sebaliknya, tim Cleland Lab menciptakan prosesor kuantum modular dengan router terpusat yang dapat dikonfigurasi ulang. Desain ini memungkinkan dua qubit untuk terhubung dan terlibat, melewati batasan fisik dari pendekatan berbasis grid yang lebih lama.
Keuntungan Arsitektur Komputasi Kuantum Baru
“Komputer kuantum belum tentu bersaing dengan komputer klasik dalam hal seperti ukuran memori atau ukuran CPU,” kata PME UChicago Prof. Andrew Cleland. “Sebaliknya, mereka memanfaatkan penskalaan yang berbeda secara mendasar: Menggandakan daya komputasi komputer klasik memerlukan CPU dua kali lebih besar, atau dua kali kecepatan clock. Menggandakan komputer kuantum hanya membutuhkan satu qubit tambahan.”
Mengambil inspirasi dari komputer klasik, desain ini mengelompokkan qubit di sekitar router pusat, mirip dengan cara PC berbicara satu sama lain melalui hub jaringan pusat. “Saklar” kuantum dapat menghubungkan dan memutuskan qubit apa pun dalam beberapa nanodetik, memungkinkan gerbang kuantum dengan ketelitian tinggi dan pembentukan keterikatan kuantum, yang merupakan sumber daya fundamental untuk komputasi dan komunikasi kuantum.
Skalabilitas dan Pendekatan Modular dalam Quantum Chips
“Pada prinsipnya, tidak ada batasan jumlah qubit yang dapat terhubung melalui router,” kata kandidat PhD UChicago PME Xuntao Wu. “Anda dapat menghubungkan lebih banyak qubit jika Anda menginginkan kekuatan pemrosesan yang lebih besar, selama qubit tersebut sesuai dengan ukuran tertentu.”
Wu adalah penulis pertama makalah baru yang diterbitkan di Tinjauan Fisik X yang menjelaskan cara baru menghubungkan qubit superkonduktor. Chip kuantum baru dari para peneliti ini fleksibel, terukur, dan modular seperti chip di ponsel dan laptop.
“Bayangkan Anda memiliki komputer klasik yang memiliki motherboard yang mengintegrasikan banyak komponen berbeda, seperti CPU atau GPU, memori, dan elemen lainnya,” kata Wu. “Bagian dari tujuan kami adalah mentransfer konsep ini ke dunia kuantum.”
Potensi Dampak Komputasi Kuantum
Komputer kuantum adalah perangkat yang sangat canggih namun rumit dengan potensi untuk mengubah bidang-bidang seperti telekomunikasi, perawatan kesehatan, energi bersih, dan kriptografi. Ada dua hal yang harus terjadi sebelum komputer kuantum dapat mengatasi permasalahan global ini secara maksimal.
Pertama, mereka harus ditingkatkan ke ukuran yang cukup besar dengan pengoperasian yang fleksibel.
“Penskalaan ini dapat menawarkan solusi terhadap masalah komputasi yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer klasik, seperti memfaktorkan bilangan besar dan dengan demikian memecahkan kode enkripsi,” kata Cleland.
Kedua, mereka harus toleran terhadap kesalahan, mampu melakukan penghitungan besar-besaran dengan sedikit kesalahan, idealnya melebihi kekuatan pemrosesan komputer klasik tercanggih saat ini. Platform qubit superkonduktor, yang sedang dikembangkan di sini, adalah salah satu pendekatan yang menjanjikan untuk membangun komputer kuantum.
“Chip prosesor superkonduktor pada umumnya berbentuk persegi dengan semua bit kuantum dibuat di atasnya. Ini adalah sistem solid-state dengan struktur planar,” kata rekan penulis Haoxiong Yan, yang lulus dari UChicago PME pada musim semi dan sekarang bekerja sebagai insinyur kuantum untuk Material Terapan. “Jika Anda dapat membayangkan susunan 2D, seperti kisi persegi, itulah topologi prosesor kuantum superkonduktor pada umumnya.”
Keterbatasan Desain Prosesor Kuantum Saat Ini
Desain khas ini menyebabkan beberapa keterbatasan.
Pertama, menempatkan qubit pada sebuah grid berarti setiap qubit hanya dapat berinteraksi dengan, paling banyak, empat qubit lainnya – tetangga terdekatnya di utara, selatan, timur, dan barat. Konektivitas qubit yang lebih besar biasanya memungkinkan prosesor yang lebih bertenaga sehubungan dengan fleksibilitas dan overhead komponen, namun batas empat tetangga umumnya dianggap melekat pada desain planar. Artinya, untuk aplikasi komputasi kuantum praktis, penskalaan perangkat menggunakan kekuatan brutal kemungkinan akan menghasilkan kebutuhan sumber daya yang tidak realistis.
“Menggandakan daya komputasi komputer klasik memerlukan CPU dua kali lebih besar… Menggandakan komputer kuantum hanya memerlukan satu qubit tambahan.”
Sekolah Teknik Molekuler UChicago Pritzker Prof.Andrew Cleland
Kedua, koneksi tetangga terdekat pada gilirannya akan membatasi kelas dinamika kuantum yang dapat diimplementasikan serta tingkat paralelisme yang dapat dijalankan oleh prosesor.
Terakhir, jika semua qubit dibuat pada substrat planar yang sama, maka hal ini akan menimbulkan tantangan yang signifikan terhadap hasil fabrikasi, karena bahkan sejumlah kecil perangkat yang gagal berarti prosesor tidak akan berfungsi.
“Untuk menjalankan komputasi kuantum praktis, kita memerlukan jutaan atau bahkan miliaran qubit dan kita perlu membuat semuanya sempurna,” kata Yan.
Arah dan Tantangan Masa Depan dalam Komputasi Kuantum
Untuk mengatasi masalah ini, tim memperbaiki desain prosesor kuantum. Prosesor ini dirancang bersifat modular, sehingga berbagai komponen dapat dipilih terlebih dahulu sebelum dipasang ke motherboard prosesor.
Langkah tim selanjutnya adalah mencari cara untuk meningkatkan prosesor kuantum ke lebih banyak qubit, menemukan protokol baru untuk memperluas kemampuan prosesor, dan, berpotensi, menemukan cara untuk menghubungkan cluster qubit yang terhubung ke router seperti superkomputer menghubungkan prosesor komponennya.
Mereka juga ingin memperluas jarak yang dapat melibatkan qubit.
“Saat ini, jangkauan koplingnya adalah jarak menengah, sekitar milimeter,” kata Wu. “Jadi jika kami mencoba memikirkan cara untuk menghubungkan qubit jarak jauh, maka kami harus mencari cara baru untuk mengintegrasikan teknologi jenis lain dengan pengaturan kami saat ini.”
Referensi: “Prosesor Kuantum Modular dengan Router yang Dapat Dikonfigurasi Ulang Seluruhnya” oleh Xuntao Wu, Haoxiong Yan, Gustav Andersson, Alexander Anferov, Ming-Han Chou, Christopher R. Conner, Joel Grebel, Yash J. Joshi, Shiheng Li, Jacob M. Miller, Rhys G. Povey, Hong Qiao dan Andrew N. Cleland, 4 November 2024, Tinjauan Fisik X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041030
Pendanaan: Perangkat dan eksperimen didukung oleh Kantor Penelitian Angkatan Darat dan Laboratorium Ilmu Fisika (Hibah ARO No. W911NF2310077) dan oleh Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara (Hibah AFOSR No. FA9550-20-1-0270)
