'Ini adalah komputer kuantum paling kuat di Bumi': Para ilmuwan mengungkap Helios, sistem kuantum yang memecahkan rekor
Para ilmuwan di Quantinuum telah meluncurkan komputer kuantum paling kuat di dunia. Tim mengklaim sistem baru ini mampu memecahkan masalah yang hanya dapat ditangani oleh superkomputer jika mengkonsumsi daya lebih besar dari total daya yang dikonsumsi watt quasar — salah satu objek paling terang di alam semesta.
Inti dari mesin baru, yang dikenal sebagai Helios, adalah a unit pemrosesan kuantum (QPU) dengan 98 qubit fisik terbuat dari ion barium. Qubit-qubit ini disusun dalam formasi “perangkap ion persimpangan” – struktur kecil seperti cincin yang membentuk persimpangan silang di dasar, sebelum memanjang menjadi dua batang paralel.
Para ilmuwan mengklaim ini adalah komputer kuantum paling kuat di dunia, setelah melewati serangkaian percobaan benchmark. Mereka juga menggunakan mesin tersebut untuk mensimulasikan logam superkonduktor dan membuat penemuan baru tentang perilaku atom material tersebut.
“Saat ini, ini adalah komputer kuantum paling kuat di Bumi,” David Hayesdirektur desain komputasi dan teori di Quantinuum, mengatakan kepada Live Science. “Saya sama sekali tidak merasa malu tentang hal itu.”
Anatomi komputer kuantum
Para ilmuwan menyatukan 98 qubit fisik menjadi 48 qubit logis yang sepenuhnya terkoreksi kesalahan (48 pasang dengan dua cadangan) — kumpulan qubit yang berbagi data untuk meminimalkan kemungkinan kegagalan jika terjadi kesalahan pada salah satunya. Dengan melakukan hal tersebut, tim mencapai “kinerja yang lebih baik daripada titik impas,” kata Hayes.
“Performa lebih baik daripada titik impas” berarti prosesor berkinerja lebih baik dalam perhitungan dunia nyata dengan menerapkan kode koreksi kesalahan dibandingkan tanpa upaya koreksi kesalahan apa pun — sesuatu yang tidak semudah kedengarannya.
Sejauh ini, para ilmuwan berasumsi bahwa mereka memerlukan rasio 10:1 untuk qubit logis (kira-kira 10 qubit fisik digabungkan untuk membuat satu qubit logis), kata Hayes, tetapi para ilmuwan Quantinuum menurunkannya menjadi 2:1.
Mereka juga menjalankan eksperimen dengan 50 dan 96 qubit logis, namun hasilnya tidak terlalu mengesankan. Namun demikian, mencapai hasil yang baik dengan 46 akan mempermudah pembuatan mesin yang jauh lebih besar di masa depan, ketika para ilmuwan meningkatkannya hingga jutaan qubit — yang diperlukan untuk melampaui superkomputer tercepat, tambah Hayes.
Selain itu, para ilmuwan menciptakan bahasa pemrograman baru, yang disebut Guppy, yang didasarkan pada bahasa Python yang banyak digunakan dan dirancang agar kompatibel dengan sistem yang toleran terhadap kesalahan di masa depan. Mereka juga membangun tumpukan kontrol baru dari awal sehingga mesin kontrol – otak klasik mesin – dapat mendeteksi dan menyelesaikan kesalahan secara real-time.
Mesin kontrol bekerja seperti komputer klasik dan merancang sirkuit kuantum saat dijalankan. Kemudian, Helios menggunakan GPU Nvidia untuk memecahkan kode informasi kesalahan dan kemudian mengirimkan koreksi kembali ke komputer kuantum untuk mengurangi kesalahan.
“Sekarang mereka harus berpikir cukup cepat sehingga mereka dapat merencanakan dan mengubah masalah kuantum dengan cukup cepat sehingga qubit tidak berdiam diri dan melakukan dephasing dan decohering. [losing the delicate quantum state in which clacluations can run] dan semua hal ini,” kata Hayes. “Kami akhirnya menguasai mesin kontrol real-time yang diperlukan untuk toleransi kesalahan, dan ini merupakan bagian integral dari mesin baru.”
Margin kesalahan komputasi kuantum
“Pemikirannya adalah, ketika kami pertama kali memulainya [Quantinuum’s previous QPUs] H1 dan H2kami hanya mencoba untuk menjalankan sesuatu – membangun sebuah sistem,” kata Hayes. “Dan segera setelah kami melakukannya, kami mulai mempelajari eksperimen koreksi kesalahan kuantum ini, dan dengan cepat mulai menyadari bahwa kami memerlukan sesuatu yang lain.”
Dalam studi tersebut, mesin tersebut mendapat skor yang jauh lebih tinggi dalam berbagai tes benchmarking komputasi kuantum dibandingkan mesin mana pun yang diumumkan secara publik sejauh ini. QPU mencatat fidelitas 99,921% di semua pasangan qubit dan fidelitas 99,9975% di gerbang kuantum qubit tunggal (perhitungan yang dijalankan pada qubit tunggal), mereka melaporkan.
Eksperimen pembandingan tersebut mencakup benchmark random Circuit Sampling (RCS) yang banyak digunakan, yang pertama kali dirancang Google pada tahun 2019 dan kemudian didorong hingga batas maksimalnya dengan teknologinya. Willow QPU pada tahun 2024. Quantinuum memecahkan rekor itu tahun lalu dengan perusahaannya Komputer kuantum H2-1 56-qubit.
Meskipun banyak komputer kuantum memiliki lebih banyak qubit fisik daripada sistem baru, kinerjanya lebih bergantung pada kualitas qubit — dan meminimalkan kecenderungan kegagalannya. Inilah sebabnya mengapa para ilmuwan baru-baru ini fokus pada hal ini koreksi kesalahan kuantum (QEC).
Hal ini bertujuan untuk mengatasi tingkat kesalahan yang sangat tinggi dalam qubit dibandingkan bit dalam komputasi klasik; 1 dari 1 triliun bit gagal di komputer konvensional, dibandingkan sekitar 1 dari 1.000 qubit di komputer kuantum (tanpa intervensi atau upaya koreksi kesalahan apa pun).
Menggunakan komputer kuantum untuk penemuan baru
Untuk menguji mesin baru mereka, para ilmuwan menggunakan Helios untuk memodelkan logam superkonduktor suhu tinggi guna menemukan perilaku elektron yang sebelumnya tidak diketahui. Mereka merinci temuannya dalam penelitian lain yang diterbitkan 3 November di jurnal tersebut arXiv basis data pracetak.
Dalam studi tersebut, mereka menemukan bahwa elektron berpasangan melalui belitan, sehingga mereka memiliki identitas bersama saat logam berada dalam keadaan superkonduktor. “Tanda superkonduktivitas” ini tidak akan muncul jika logam tidak menjadi superkonduktor, kata Hayes.
Model ini didasarkan pada eksperimen sebelumnya di mana para ilmuwan menyinari sebongkah logam – the baru-baru ini ditemukan Itu3Di dalam2O — menjadikannya superkonduktor pada suhu kamar untuk waktu yang sangat singkat. Simulasi tersebut mengungkapkan ciri-ciri superkonduktor. Di “laboratorium basah” di mana Anda benar-benar memiliki bongkahan logam, kata Hayes, Anda tidak dapat melihat perilaku ini pada masing-masing elektron.
Para ilmuwan sebelumnya telah menjalankan eksperimen lain pada simulator kuantum analog – sistem kuantum sederhana yang meniru sistem kuantum yang lebih kompleks – yang memodelkan bagaimana bongkahan logam berperilaku, kata Hayes. Namun, mereka tidak dapat mengukur partikel individual dan memeriksanya dengan cara yang sama seperti komputer kuantum digital. Ia menambahkan, mesin baru tersebut merupakan komputer kuantum pertama yang mampu mengamati fenomena tersebut.
Setelah mengungkap arsitektur komputasi kuantum baru, Hayes yakin bahwa para ilmuwan dapat mulai memperluasnya sehingga banyak dari perangkap ion persimpangan ini dapat bekerja sama di mesin masa depan.
“Anda dapat menganggapnya sebagai persimpangan lalu lintas bagi qubit untuk mengarahkannya dengan sangat efisien dan memasangkannya,” kata Hayes, merujuk pada persimpangan yang mengikuti ring dalam pengaturan baru. “Dan sekarang setelah mesin ini berfungsi, kami pikir akan cukup mudah untuk memasukkan banyak hal ini untuk mencoba menutup jendela ke dalam mesin generasi berikutnya dan benar-benar meningkatkan mesin ini ke jumlah yang sangat besar.”
