IBM Bikin ‘Kulkas’ Terdingin di Bumi, Bantu Komputer Kuantum Bebas Error

Raksasa teknologi AS, IBM, sukses mengembangkan sistem kriogenik modular nan disebut quantum fridge (kulkas kuantum) untuk menghubungkan ratusan chip komputer kuantum. Teknologi ini dirancang menjadi salah satu fondasi bagi komputer kuantum nan bisa beraksi dengan tingkat kesalahan sangat rendah.

IBM memperkenalkan sistem pendingin modular ultradingin nan dirancang untuk mengatasi salah satu tantangan terbesar dalam pengembangan komputer kuantum, ialah infrastruktur. Sistem nan bentuknya menyerupai lemari es tersebut dapat menjaga suhu hingga 10 milikelvin alias sekitar minus 273,14 derajat Celsius, mendekati titik nol absolut.

IBM berencana menggunakan teknologi ini untuk membangun komputer kuantum fault-tolerant alias tahan terhadap kesalahan pada 2029. Komputer tersebut ditargetkan bisa menjalankan hingga 100 juta operasi kuantum tanpa gangguan. Sistem baru ini memungkinkan beberapa quantum processing unit (QPU) ditempatkan dalam modul kriogenik terpisah dan kemudian dihubungkan untuk bekerja sebagai satu kesatuan.

Menurut IBM, pendekatan modular tersebut menjadi langkah krusial untuk memperbesar skala komputer kuantum tanpa kudu membangun satu sistem pendingin raksasa nan susah dirawat dan dikembangkan.

Kulkas nan Suhunya Mendekati Nol Absolut

Sistem kriogenik baru IBM terdiri atas sejumlah unit terpisah dengan tinggi dan lebar sekitar 2,4 meter. Setiap unit mempunyai kapabilitas internal sekitar 0,25 meter kubik. Sekilas, perangkat ini memang menyerupai lemari es rumah tangga. Namun, kemampuannya jauh berbeda. Sistem tersebut dapat mencapai suhu hingga 10 milikelvin, setara dengan minus 273,14 derajat Celsius.

Suhu tersebut sedikit di atas nol absolut, ialah suhu teoritis terendah nan mungkin dicapai. Kondisinya apalagi lebih dari 180 kali lebih dingin dibandingkan ruang antariksa. Suhu ekstrem ini diperlukan agar quantum processing unit (QPU) superkonduktor IBM dapat bekerja dengan baik.

Sama seperti komputer konvensional, komputer kuantum superkonduktor menggunakan sirkuit internal alias gates untuk melakukan operasi pemrosesan. Bedanya, komputer kuantum menggunakan qubit, unit info nan berbeda dari bit pada komputer konvensional.

Qubit sangat rentan terhadap gangguan. Panas dan beragam gangguan lain, termasuk gelombang elektromagnetik, dapat menyebabkan kesalahan dalam proses komputasi. Karena itu, QPU superkonduktor kudu ditempatkan dalam lingkungan dengan suhu nan sangat rendah agar sifat kuantum material superkonduktor tetap terjaga.

Untuk mencapai kondisi tersebut, sistem baru IBM menggunakan perangkat kriogenik pihak ketiga nan mengandalkan kompresor kriogenik helium dan mesin pendingin dilution refrigeration. Perlindungan termal juga dilakukan menggunakan ruang tertutup rapat udara, gasket untuk mengurangi interferensi elektromagnetik, serta lapisan pelindung panas berbahan Mylar.

IBM mengatakan modul memerlukan waktu lebih dari empat hari untuk mencapai suhu sekitar 4 kelvin alias minus 269,15 derajat Celsius. Setelah itu, sistem dapat didorong hingga mencapai suhu di bawah 15 milikelvin.

Salah satu masalah dalam pengembangan komputer kuantum adalah keterbatasan jumlah qubit nan dapat ditempatkan dalam satu chip. Untuk menjalankan operasi kuantum dalam jumlah nan lebih besar, peneliti memerlukan lebih banyak chip dan ruang. Namun, menempatkan seluruh QPU di dalam satu akomodasi pendingin berukuran sangat besar bukan solusi ideal.

Sistem semacam itu bakal memerlukan prasarana nan sangat kompleks. Selain itu, setiap kali teknisi perlu melakukan peningkatan sistem, memperbaiki kerusakan perangkat keras, alias memeriksa chip, mereka berpotensi kudu membuka sistem isolasi suhu.

Hal tersebut dapat mengganggu operasi komputer kuantum. IBM mencoba mengatasi persoalan tersebut dengan pendekatan modular. Setiap modul dapat menampung sejumlah chip, kemudian beberapa modul dihubungkan untuk menggabungkan keahlian komputasinya.

Kunci teknologi tersebut adalah L-coupler, kabel superkonduktor sepanjang sekitar 1 meter. Oliver Dial, Vice President of Quantum Operations IBM, menjelaskan bahwa dalam sistem konvensional, operasi antarqubit dilakukan melalui coupler nan berada di dalam chip. L-coupler memungkinkan proses serupa dilakukan melalui kabel superkonduktor berbahan aluminium nan panjangnya dapat mencapai sekitar 1 meter. Teknologi tersebut menjadi fondasi bagi kreasi komputer kuantum modular IBM.

Menurut IBM, pencapaian ini merupakan kali pertama para intelektual mendemonstrasikan keterhubungan QPU nan berada di dalam modul kriogenik berbeda.

Targetkan 100 Juta Operasi Kuantum pada 2029

IBM berencana mulai menerapkan arsitektur kriogenik modular tersebut pada 2027. Untuk tahap awal, sistem bakal menggunakan dua hingga tiga sel nan secara keseluruhan mendukung sekitar 1.000 qubit.

Target berikutnya jauh lebih ambisius. Pada 2029, IBM mau komputer kuantum Starling bisa menjalankan hingga 100 juta quantum gates alias 100 juta operasi kuantum dalam satu sesi. Kemampuan tersebut menjadi bagian krusial dari ambisi IBM menghadirkan komputer kuantum fault-tolerant.

Komputer kuantum fault-tolerant memungkinkan operasi tetap melangkah meski terdapat gangguan dan kesalahan pada sistem. Dengan teknologi koreksi kesalahan kuantum, kesalahan dapat diperbaiki sehingga komputasi nan kompleks dapat dilakukan tanpa terganggu noise.

Jika sukses diwujudkan, komputer semacam ini berpotensi membuka penelitian baru di beragam bidang, mulai dari kimia, pengetahuan material hingga fisika teoretis. Namun, IBM tetap kudu membuktikan bahwa sistem modular tersebut bisa melakukan komputasi kompleks antarmodul.

Sejauh ini, peneliti baru mendemonstrasikan bahwa dua modul kriogenik dapat dihubungkan dan didinginkan secara berbarengan hingga mencapai suhu operasi nan dibutuhkan. Pengujian awal dilakukan menggunakan prosesor Flamingo untuk menjalankan operasi gerbang kuantum sederhana. Tim IBM belum melakukan operasi kompleks antarmodul tersebut. IBM berencana memasang prosesor generasi terbaru, Nighthawk, dalam sistem tersebut.

Jerry Chow, Chief Technology Officer of Quantum-Centric Supercomputing IBM, mengatakan pencapaian fault tolerance tidak berjuntai pada satu terobosan besar.

“Ini bukan tentang satu terobosan untuk mencapai fault tolerance. Ini betul-betul tentang ribuan pencapaian rekayasa mini nan kami demonstrasikan di seluruh ekosistem,” kata Chow.

Menurutnya, pengembangan tersebut mencakup prosesor, perangkat lunak, sistem kendali, prasarana hingga teknologi koreksi kesalahan.

IBM bukan satu-satunya perusahaan nan mengembangkan teknologi komputer kuantum. Laboratorium komputer kuantum saat ini menggunakan beragam sistem kriogenik mandiri. Di sisi lain, sejumlah pendekatan berbeda juga dikembangkan untuk membikin komputer kuantum nan dapat beraksi pada suhu ruangan.

Beberapa sistem menggunakan foton, alias partikel cahaya, sebagai qubit. Ada pula penelitian nan menggunakan permata buatan untuk memungkinkan operasi kuantum pada suhu nan lebih tinggi.

IBM tetap optimistis sistem modularnya bakal menjadi bagian krusial dalam mewujudkan komputer kuantum fault-tolerant. Perusahaan apalagi menyebut Starling sebagai kandidat komputer kuantum fault-tolerant pertama di bumi ketika diluncurkan nanti.

Namun, sasaran tersebut belum menjadi kepastian. Perusahaan-perusahaan lain di industri komputer kuantum juga tengah mengejar pencapaian serupa.

Dengan begitu, “quantum fridge” modular IBM bukan sekadar sistem pendingin, teknologi ini merupakan upaya untuk memecahkan persoalan prasarana nan selama ini menjadi salah satu penghambat utama dalam memperbesar skala komputer kuantum.