Peneliti Berhasil Mengoperasikan Lima Qubit Silikon Secara Bersamaan Melalui Satu Jalur Kontrol Mikrowave dengan Akurasi 99,9%

Kinerja komputer kuantum tidak hanya bergantung pada jumlah qubit yang dimilikinya, tetapi juga pada seberapa akurat qubit tersebut dapat bekerja sama. Baru-baru ini, peneliti menunjukkan metode yang dapat mengoperasikan lima qubit berbasis silikon secara bersamaan melalui satu jalur kontrol mikrowave, dengan akurasi operasi mencapai 99,9% atau lebih. Metode ini dapat membantu prosesor kuantum di masa depan untuk lebih mudah diperluas tanpa perlu menyiapkan jalur kontrol terpisah untuk setiap qubit. Namun, mengontrol banyak qubit bukanlah sekadar mengirimkan sinyal mikrowave. Komputer kuantum perlu melakukan operasi paralel untuk menjalankan rutinitas koreksi kesalahan, yang membantu melindungi informasi kuantum yang rentan.

Namun, sinyal yang digunakan untuk mengontrol satu qubit dapat mengganggu qubit tetangga, sehingga mengurangi akurasi operasi mereka. Dalam eksperimen sebelumnya, masalah ini menyebabkan fidelitas gerbang—ukuran akurasi pelaksanaan operasi kuantum—turun dari 99,95% menjadi sekitar 99,5%. Peneliti mencatat, "Dalam perangkat silikon, kontrol simultan tetap menjadi tantangan utama, karena fidelitas biasanya menurun dalam operasi paralel."

Tantangan Mengontrol Banyak Qubit

Peneliti dari RIKEN Jepang dan lembaga kolaboratornya kini telah mengidentifikasi sumber utama gangguan ini dan mengembangkan metode kompensasi. Pergeseran frekuensi yang tersembunyi ini membuat qubit kehilangan arah yang benar. Tim peneliti menggunakan lima qubit yang terdiri dari spin elektron, yang terperangkap dalam struktur kecil yang disebut titik kuantum, dan terletak di dalam perangkat silikon/silikon-germanium. Peneliti menambahkan, "Qubit spin silikon secara khusus menawarkan jalan yang menjanjikan untuk komputasi kuantum yang dapat diskalakan, karena mereka kompatibel dengan pembuatan semikonduktor industri." Sinyal mikrowave mengontrol qubit ini, tetapi sinyal yang ditujukan untuk satu qubit juga dapat mempengaruhi qubit tetangga.

Pengaruh yang tidak diinginkan ini disebut sebagai crosstalk, yang dapat menurunkan akurasi operasi kuantum meskipun qubit tetangga bukanlah target. Peneliti melacak bahwa sumber utama gangguan ini adalah fenomena yang disebut AC Stark shift. Sinyal mikrowave dapat mengubah tingkat energi efektif qubit tetangga, mengubah evolusi keadaan kuantumnya. Ini menghasilkan pergeseran fase yang tidak diinginkan—perubahan waktu relatif gelombang yang menggambarkan keadaan kuantum, yang membuat operasi yang diharapkan menyimpang dari arah yang benar.

Tim peneliti menemukan bahwa pergeseran fase ini dapat diprediksi dengan mengukur pengaruh individu qubit terhadap satu sama lain. Mereka memanfaatkan hasil pengukuran ini untuk mengompensasi perubahan yang tidak diinginkan saat beberapa qubit beroperasi bersamaan, menghindari kebutuhan untuk mengkalibrasi secara terpisah setiap kombinasi yang mungkin. Penulis utama penelitian, Wu Yihsien, menjelaskan, "Metode kami mengompensasi pergeseran fase yang tidak diinginkan melalui kalibrasi antar qubit, tanpa perlu menjalankan prosedur kalibrasi independen yang sepenuhnya untuk setiap kombinasi qubit yang mungkin." Hasilnya menunjukkan efektivitas metode ini. Saat dioperasikan secara terpisah, fidelitas gerbang lima qubit melebihi 99,99%, dengan yang terbaik mendekati 99,999%.

Peluang dan Tantangan untuk Ekspansi di Masa Depan

Ketika hingga tiga qubit beroperasi secara bersamaan, fidelitas mereka tetap di atas 99,99%. Bahkan ketika lima qubit beroperasi secara bersamaan, fidelitas gerbang mereka juga tetap di 99,9% atau lebih. Akurasi ini mencapai standar penggunaan luas untuk komputasi kuantum toleran kesalahan, di mana teknik koreksi kesalahan membantu melindungi komputasi dari dampak kesalahan. Namun, ini tidak berarti bahwa peneliti telah membangun komputer kuantum yang sepenuhnya toleran kesalahan.

Penggunaan jalur mikrowave bersama dapat mengurangi jumlah koneksi kontrol yang diperlukan untuk prosesor besar, menghemat ruang, dan mungkin mengurangi panas yang dihasilkan oleh perangkat keras kontrol. Peneliti melihat metode ini sebagai dasar untuk modul yang mungkin mencakup sekitar sepuluh qubit di masa depan, meskipun konfigurasi yang lebih besar ini tetap menjadi tujuan masa depan, bukan hasil yang telah terbukti. Tantangan lain masih ada. Sinyal mikrowave yang lebih kuat dapat mempercepat operasi, tetapi juga akan memperkenalkan gangguan yang tidak diinginkan, mengganggu keadaan kuantum yang halus dari qubit. Tim mengusulkan untuk meningkatkan kontrol spin elektron dengan mengintegrasikan magnet kecil ke dalam lapisan pengkabelan chip.

Magnet yang ditingkatkan ini dapat menghasilkan medan magnet lokal yang lebih kuat, memungkinkan operasi yang lebih cepat dengan daya mikrowave yang lebih rendah. Saat ini, pencapaian ini mengatasi salah satu hambatan untuk memperluas komputer kuantum silikon: mempertahankan kontrol akurat saat banyak qubit beroperasi bersama. Sebelum dapat mendukung komputasi kuantum toleran kesalahan yang praktis, penting untuk memperluas metode ini ke array yang lebih besar dan mengontrol sumber kesalahan lainnya. Penelitian ini diterbitkan di jurnal Nature Physics.