Memanipulasi keadaan kuantum pada chip superkonduktor yang didinginkan hingga sepersekian derajat di atas nol absolut di bagian bawah lemari es kriogenik sangatlah menantang. Dan segala sesuatunya tidak selalu berjalan sesuai rencana. Error bisa terjadi tanpa terduga. Banyak sekali error. Strategi mumpuni dibutuhkan untuk mengekstrak komputasi secara andal dari output bit yang begitu banyak dan acak. Keberhasilan hanya bisa dicapai jika error tidak terlalu sering terjadi.
Hari ini, Google Quantum AI mengumumkan pembangunan chip kuantum agar error tidak terlalu sering terjadi. Chip ini menggunakan kode platform, yang pada dasarnya adalah sebuah patch persegi dari qubit fisik yang digabungkan dengan tetangga terdekat yang bekerja sama untuk membentuk satu qubit logis yang lebih andal. Ketika patch persegi semakin besar, qubit logis akan semakin andal, dan itulah yang kami demonstrasikan: sebuah chip dengan qubit logis yang lebih andal dengan faktor dua kali lipat dengan setiap peningkatan ukuran patch.
Namun, mengapa hal ini diperlukan—apa yang dimaksud dengan error kuantum dan bagaimana cara memperbaikinya?
Kami akan memberikan versi ringkas dari jawaban tersebut di sini, dan jika Anda menginginkan lebih dari sekadar ringkasan, Anda bisa langsung membuka kursus koreksi error kuantum praktis yang kini tersedia secara gratis di Coursera, di sini Anda bisa menemukan rangkaian video dan latihan untuk mengembangkan pemahaman Anda. “Kursus baru ini membuka pintu ke domain yang kompleks, membuat koreksi error kuantum tidak hanya dapat diakses, tetapi juga dapat dirasakan oleh jutaan pelajar di seluruh dunia,” kata Marni Baker Stein, Chief Content Officer di Coursera. “Kolaborasi kami dengan pelopor industri seperti Google Quantum AI merupakan langkah penting menuju masa depan yang menjadikan pengetahuan sebagai kunci untuk memanfaatkan kekuatan komputasi kuantum.”
Mari kita mulai dengan jenis error klasik. Anda memiliki sebuah bit. Seharusnya nilainya 0. Namun sinar kosmik membenturnya dan nilainya menjadi 1. Itu adalah error bit-flip, satu-satunya jenis error dalam komputer klasik. Sebagai perbandingan, sebuah chip kuantum tidak terdiri dari bit-bit, melainkan sistem kuantum multilevel yang sangat dingin sehingga memiliki keadaan dasar terpisah dan tereksitasi yang terdefinisi dengan baik. Kami menulis keadaan ini sebagai |0>, |1>, |2>, dst. Ketika sinar kosmik membentur sebuah qubit yang seharusnya adalah |0>, ia dapat menghasilkan superposisi a|0> + b|1> + c|2> + ... dari banyak keadaan. Rekayasa yang cermat pada perangkat kami membuat qubit kami tahan terhadap semua tumbukan kecuali tumbukan terekstrem, sehingga kami bisa menghitung hasil dan cukup menghapus outputnya saat terbentur.
Ketika melakukan komputasi, kami berusaha keras agar hanya menggunakan keadaan |0> dan |1>, tetapi error kontrol dan pengukuran pasti menyebabkan keadaan |2+>, yang dikenal dengan istilah leakage error. Mereset sebuah qubit akan menghilangkan error ini, tetapi juga menghilangkan setiap data pada qubit tersebut, sehingga kami memiliki gerbang khusus yang memindahkan keadaan yang lebih tinggi dari qubit data ke qubit yang akan direset. Ini mencegah akumulasi keadaan |2+> di dalam komputer.
Masalah lainnya adalah data kuantum tidak suka berkeliaran terlalu lama. Qubit suka bersantai. Jika Anda menggunakan keadaan tereksitasi untuk merepresentasikan |1>, setelah beberapa saat keadaan tersebut akan berubah menjadi |0>. Kami juga ingin dapat menyimpan superposisi seperti a|0> + b|1>, dan 'plus' dapat secara spontan menjadi 'minus', atau error phase-flip. Berbagai cara qubit kehilangan data secara kolektif disebut dekoherensi. Secara umum, dekoherensi bisa menghasilkan keadaan yang sama sekali berbeda dengan yang kita inginkan, tetapi untungnya perbedaan ini bisa diurai menjadi campuran bit flip dan phase flip; untuk lebih singkatnya, kami menyebutnya error X dan Z.
Mari kita mulai dengan gambar chip kuantum kami.
Ini adalah array qubit 2D dengan interaksi tetangga terdekat saja. Qubit data menyimpan keadaan kuantum kita yang berharga. Qubit pengukuran digunakan untuk mendeteksi error X dan Z. Cara terbaik untuk memahami hal ini adalah dengan membayangkan setiap region biru muda mendeteksi error Z pada qubit data yang disentuhnya, dan setiap region biru tua mendeteksi error X. Error Z pada sebuah qubit data akan mengaktifkan region biru muda di sekitarnya, menemukannya dan memungkinkan kita mengompensasi keberadaannya dalam software. Asalkan kepadatan error X dan Z cukup rendah, pola daerah yang berpendar akan memberikan informasi yang jelas sehingga kita dapat menemukan dan mengompensasi error tersebut.
Jika sebuah qubit pengukuran mengalami error, hal tersebut dapat memberikan Anda region yang salah diaktifkan. Untuk mengatasi hal ini, penelusuran error diulangi sesering mungkin, dan pada saat pemeriksaan berikutnya dilakukan, kemungkinan besar error akan teratasi. Hal ini menciptakan tanda tangan yang dapat diidentifikasi untuk error pengukuran, sehingga memungkinkannya juga ditangani dalam software. Ini adalah area penelitian yang sedang berlangsung untuk merancang algoritme yang lebih mumpuni untuk menangani output qubit pengukuran guna mengidentifikasi lokasi dan jenis error dengan lebih baik, semuanya sembari mengikuti kecepatan komputer kuantum.
Apa yang telah kita bahas di atas hanyalah menggores permukaan koreksi error kuantum dan peran penting yang dimainkannya dalam memajukan komputasi kuantum. Untuk penjelasan langkah demi langkah dan lab mulai dari yang paling dasar, melalui keadaan dan sirkuit kuantum, hingga beberapa alat koreksi error terbaru yang digunakan saat ini, kunjungi Coursera untuk mempraktikkan langsung kursus koreksi error kuantum kami.
Jika Anda seorang software engineer yang selalu ingin mengerjakan masalah kuantum, setelah mengikuti kursus ini, buka Alat open source Quantum AI, di sini kami membangun software open source, seperti Cirq, Stim, dan Crumble untuk menyimulasikan sirkuit kuantum dan mengembangkan teknik koreksi error. Pelajari cara merancang algoritme kuantum dan berkontribusi pada pengembangan alat yang akan memungkinkan realisasi komputasi kuantum praktis.
Ini adalah bidang penelitian menarik yang menggabungkan ilmu komputer teoretis, rekayasa software, dan fisika kuantum:
Bergabunglah dengan grup ini untuk mendapatkan akses ke project TQEC dan mempelajari mengapa gambar ini merupakan gambaran komputasi kuantum fault-tolerant yang skalabel, tiga qubit logis abc melewati tiga gerbang TIDAK terkontrol untuk menghasilkan output a'b'c'.