Gates kuantum pada komputer klasik, aplikasi komputasi kuantum memerlukan gerbang kuantum untuk mengubah keadaan qubit – memungkinkan mereka untuk melakukan perhitungan kompleks.
Namun, hanya gerbang kuantum dengan kejernihan tinggi yang dapat menghasilkan operasi komputasi kuantum yang kuat dan handal. Kejernihan mengacu pada seberapa akurat gerbang kuantum melakukan operasi yang dimaksudkan.
Ini adalah ukuran seberapa dekat keluaran aktual dengan keluaran ideal. Kejernihan tinggi berarti gerbang berfungsi seperti yang diharapkan dengan kesalahan minimal. Ini sangat penting dalam komputasi kuantum karena bahkan kesalahan kecil dapat mengakibatkan kegagalan perhitungan keseluruhan yang dilakukan oleh komputer kuantum.
Sebuah studi baru dari para peneliti di RIKEN Center for Quantum Computing Jepang dan Toshiba mengungkapkan sebuah gerbang kuantum dengan kejernihan tinggi yang menjanjikan untuk secara signifikan meningkatkan kinerja perangkat komputasi kuantum intermediate-scale quantum (NISQ) yang bising yang ada.
Mewujudkan kekuatan double-transmon coupler
Gerbang yang baru dikembangkan menggunakan double-transmon coupler (DTC), sebuah komponen yang memungkinkan kontrol yang tepat tentang bagaimana dua qubit berinteraksi. Ini bertindak seperti jembatan yang membantu qubit berkomunikasi dan bekerja sama secara efektif, meningkatkan akurasi dan kehandalan tugas komputasi kuantum.
Namun, hingga saat ini, DTC hanyalah konsep teoritis belaka. “Kami melaporkan realisasi eksperimental pertama dari DTC,” catat para penulis studi. Perangkat DTC yang direalisasikan berfungsi seperti penghubung yang dapat disesuaikan untuk qubit.
Perangkat ini terdiri dari dua transmon dengan frekuensi tetap (jenis qubit yang tahan terhadap kebisingan yang disebabkan oleh muatan) yang terhubung melalui suatu junction Josephson tambahan – sebuah perangkat kecil yang terbuat dari lapisan non-superkonduktor yang sangat tipis diletakkan di antara dua superkonduktor.
Junction Josephson memungkinkan arus mengalir melaluinya tanpa resistansi di bawah kondisi mekanika kuantum tertentu, memainkan peran penting dalam pemeliharaan keadaan qubit yang diperlukan.
Desain unik DTC ini menangani tantangan utama dalam komputasi kuantum yaitu menciptakan perangkat keras yang menghubungkan qubit dengan akurasi tinggi dan kesalahan rendah. Misalnya, ketika para penulis studi menguji gerbang kuantum berbasis DTC, gerbang mencapai “kejelasan gerbang 99,9% untuk gerbang dua qubit dan 99,98% untuk gerbang satu qubit.”
“Ketepatan rata-rata gerbang yang melampaui 99,9%, misalnya, akan memungkinkan tidak hanya komputasi kuantum yang efisien dengan koreksi kesalahan tetapi juga mitigasi kesalahan yang efektif dalam perangkat kuantum intermediate-scale bising saat ini,” tambahkan para penulis studi.
NISQ adalah komputer kuantum tahap awal yang memiliki jumlah qubit terbatas (berkisar antara puluhan hingga ratusan saja). Versi mereka saat ini rentan terhadap kesalahan dan kebisingan tetapi gerbang baru ini akan diharapkan mengatasi tantangan-tantangan tersebut.
Kejernihan untuk bahkan qubit yang tertunda
Apa yang membuat gerbang berbasis DTC ini istimewa adalah kemampuannya untuk mengelola dua jenis kesalahan utama yang membuat sistem kuantum gagal; kesalahan bocoran dan kesalahan dekohrensi.
Kesalahan pertama terjadi ketika sebuah qubit mengubah keadaannya, beralih dari keadaan kuantum yang dimaksudkan ke keadaan yang tidak diinginkan. Dekohrensi, di sisi lain, teramati ketika sebuah qubit kehilangan sifatnya seperti superposisi, kohesi, atau entanglement di bawah pengaruh lingkungannya.
Gerbang yang baru dikembangkan menjaga keadaan seimbang dan mencapai kejernihan tinggi bahkan dalam kasus qubit yang tertunda, yaitu qubit yang sengaja dibuat untuk beroperasi pada frekuensi yang berbeda dari frekuensi alaminya, mencegah gangguan dengan qubit lain di sekitarnya.
“Kemampuan perangkat ini untuk berkinerja secara efektif dengan qubit yang sangat tertunda membuatnya menjadi blok bangunan yang serba guna dan kompetitif untuk berbagai arsitektur komputasi kuantum,” kata Yasunobu Nakamura, salah satu penulis studi dan direktur RIKEN Center for Quantum Computing.
Gerbang ini dapat digunakan untuk aplikasi komputasi kuantum yang ada dan yang akan datang. Diharapkan, ini akan mendorong pengembangan perangkat kuantum yang akurat dan handal.
Studi ini diterbitkan di jurnal Physical Review X.