Read in English here
Microsoft hari ini memperkenalkan Majorana 1, chip kuantum pertama di dunia yang ditenagai oleh arsitektur Topological Core baru. Chip ini diharapkan dapat mewujudkan komputer kuantum yang mampu menyelesaikan masalah industri berskala besar dalam hitungan tahun, bukan dekade.
Chip ini memanfaatkan topoconductor pertama di dunia—jenis material yang dapat menjalankan dan mengendalikan partikel Majorana, guna menghasilkan qubit yang lebih andal dan dapat diskalakan. Qubit sendiri merupakan building blocks dalam komputer kuantum.
Sama seperti bagaimana semikonduktor memungkinkan hadirnya smartphone, komputer, dan perangkat elektronik modern, topoconductor serta chip baru yang ditenagai oleh material ini membuka jalan bagi pengembangan sistem kuantum yang dapat mencapai hingga satu juta qubit, dan mampu mengatasi tantangan industri serta sosial paling kompleks, menurut Microsoft.
“Kami melihat ke belakang dan bertanya, ‘Ok, mari kita ciptakan transistor untuk era kuantum. Sifat apa yang harus dimilikinya?’” kata Chetan Nayak, Microsoft Technical Fellow.
“Dari situlah semuanya bermula—kombinasi yang tepat, kualitas, serta detail penting dalam susunan material baru kami yang memungkinkan hadirnya jenis qubit baru, dan pada akhirnya, keseluruhan arsitektur ini.”
Arsitektur baru yang digunakan dalam pengembangan prosesor Majorana 1 menghadirkan jalur yang jelas untuk menyematkan satu juta qubit dalam satu chip, yang ukurannya cukup kecil untuk digenggam di telapak tangan, kata Microsoft. Ini adalah batasan minimal yang harus dicapai agar komputer kuantum dapat memberikan solusi nyata yang transformasional—misalnya menguraikan mikroplastik menjadi bahan yang tidak berbahaya atau menciptakan material yang bisa memperbaiki diri sendiri untuk keperluan konstruksi, manufaktur, atau layanan kesehatan. Bahkan jika seluruh komputer di dunia saat ini bekerja secara bersamaan, mereka tetap tidak akan mampu melakukan apa yang bisa dilakukan oleh komputer kuantum dengan satu juta qubit.
“Apapun yang Anda lakukan di ruang kuantum harus memiliki jalur menuju satu juta qubit. Jika tidak, Anda akan menghadapi hambatan sebelum mencapai skala yang memungkinkan penyelesaian masalah yang benar-benar penting,” kata Nayak. “Kami telah menemukan jalur menuju satu juta.”
Topoconductor, atau topological superconductor, adalah kategori material khusus yang dapat menciptakan jenis materi yang benar-benar baru—bukan padat, cair, atau gas, melainkan topological state. Material ini memungkinkan qubit yang lebih stabil menjadi cepat, kecil, serta dapat dikendalikan secara digital, tanpa keterbatasan yang dimiliki oleh material alternatif saat ini.
Sebuah studi baru yang diterbitkan hari Rabu di Nature menjelaskan bagaimana peneliti Microsoft berhasil menciptakan properti kuantum eksotis pada topological qubit serta mengukurnya dengan akurat—sebuah langkah penting dalam mewujudkan komputasi kuantum yang praktis.
Terobosan ini memerlukan pengembangan susunan material baru yang terdiri dari indium arsenide dan aluminium. Microsoft merancang serta membuat material ini atom demi atom, dengan tujuan untuk memunculkan partikel kuantum baru yang disebut Majorana, dan memanfaatkan sifat uniknya untuk mencapai kemajuan berikutnya dalam komputasi kuantum.
Topological Core pertama di dunia yang mengaktifkan Majorana 1 dirancang dengan keandalan, mengintegrasikan ketahanan terhadap kesalahan pada tingkat perangkat keras, sehingga lebih stabil.
Penggunaan dalam skala komersil juga memerlukan operasi dalam jumlah triliunan yang berjalan di atas satu juta qubit—sesuatu yang tidak memungkinkan dengan metode analog fine-tuned yang digunakan saat ini untuk mengontrol qubit. Pendekatan baru yang dikembangkan oleh tim Microsoft memungkinkan kontrol qubit secara digital, sehingga meredefinisikan serta menyederhanakan proses komputasi kuantum secara drastis.
Kemajuan ini semakin menegaskan keputusan Microsoft beberapa tahun lalu untuk mengembangkan desain topological qubit—sebuah tantangan engineering dan scientific berisiko tinggi, yang sekarang terbayarkan. Saat ini, Microsoft telah berhasil menempatkan delapan topological qubit dalam satu chip yang dirancang untuk bisa scale hingga satu juta qubit.
“Sejak awal, kami ingin membuat komputer kuantum dengan dampak komersial, bukan sekadar thought leadership,” kata Matthias Troyer, Microsoft Technical Fellow.
“Kami tahu kami memerlukan jenis qubit baru. Kami juga tahu bahwa kami harus meningkatkan skalanya.”
Pendekatan ini menarik perhatian Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), sebuah lembaga federal yang berinvestasi dalam terobosan teknologi untuk keamanan nasional. DARPA mengikutsertakan Microsoft dalam program penelitian guna mengevaluasi apakah teknologi komputasi kuantum inovatif dapat secara komersil dikembangkan lebih cepat dibandingkan yang selama ini diperkirakan.
Microsoft kini menjadi salah satu dari dua perusahaan yang diundang untuk melangkah ke tahap akhir dari program DARPA Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC). Program ini merupakan bagian dari Quantum Benchmarking Initiative DARPA—yang bertujuan untuk mewujudkan komputer kuantum berskala utilitas pertama di dunia yang toleran terhadap kesalahan, atau yang memiliki nilai komputasi lebih besar dibandingkan biayanya.
‘Anda bisa langsung menemukan jawabannya’
Selain mengembangkan perangkat keras kuantum sendiri, Microsoft juga bermitra dengan Quantinuum dan Atom Computing untuk mencapai terobosan ilmiah dan engineering dalam pengembangan qubit. Salah satu pencapaian besar adalah pengumuman tahun lalu mengenai komputer kuantum pertama yang benar-benar andal dalam industri.
Jenis mesin ini menawarkan peluang besar untuk mengembangkan keterampilan kuantum, membangun aplikasi hybrid, serta mendorong penemuan baru, terutama dengan penggabungan AI dan sistem kuantum generasi baru yang akan ditenagai oleh lebih banyak qubit yang andal. Saat ini, Azure Quantum menawarkan solusi terintegrasi yang memungkinkan pelanggan memanfaatkan AI terdepan, komputasi performa tinggi, serta platform kuantum di Azure guna mempercepat penemuan ilmiah.
Namun, untuk mencapai tahap selanjutnya dalam komputasi kuantum, dibutuhkan arsitektur kuantum yang mampu menyediakan satu juta qubit atau lebih, serta menjalankan triliunan operasi dengan kecepatan dan keandalan tinggi. Microsoft mengatakan, pengumuman hari ini menempatkan target tersebut dalam hitungan tahun, bukan dekade.
Karena komputer kuantum mampu memanfaatkan mekanika kuatum untuk secara matematis memetakan bagaimana alam bekerja dengan tingkat presisi yang luar biasa – dari reaksi kimia hingga molekular dan energi enzim – mesin dengan satu juta qubit dapat memecahkan berbagai masalah kompleks di bidang kimia, ilmu material, dan industri lainnya yang mustahil diselesaikan oleh komputer klasik secara akurat.
- Sebagai contoh, komputer kuantum dapat membantu menjawab pertanyaan kimia yang sangat sulit, seperti mengapa material mengalami korosi atau retak. Hal ini bisa membuka jalan bagi pengembangan material yang dapat memperbaiki dirinya sendiri, yang bisa digunakan untuk memperbaiki jembatan, suku cadang pesawat, layar ponsel yang retak, atau pintu mobil yang tergores.
- Karena terdapat begitu banyak jenis plastik, saat ini tidak ada katalis universal yang dapat menguraikan semua plastik dengan efektif. Hal ini sangat penting dalam mengatasi polusi mikroplastik dan karbon. Komputasi kuantum bisa menghitung sifat-sifat katalis potensial yang dapat mengubah polutan menjadi byproduct yang lebih ramah lingkungan atau mengembangkan alternatif non-toksik sejak awal.
- Enzim, sejenis katalis biologis, juga bisa dimanfaatkan lebih efektif dalam sektor kesehatan dan pertanian, berkat perhitungan akurat yang hanya dapat dilakukan oleh komputer kuantum. Hal ini berpotensi menciptakan terobosan baru dalam mengatasi kelaparan global, misalnya dengan meningkatkan kesuburan tanah untuk menghasilkan panen yang lebih besar atau mengembangkan metode pertanian yang berkelanjutan di lingkungan dengan iklim ekstrem.
Yang paling utama, komputasi kuantum akan memungkinkan para engineer, ilmuwan, perusahaan, dan lainnya untuk mendesain sesuatu dengan benar sejak awal—sebuah transformasi besar dalam berbagai bidang, mulai dari layanan kesehatan hingga pengembangan produk.
Kombinasi antara kekuatan komputasi kuantum dan alat berbasis AI akan memungkinkan seseorang menentukan material atau molekul seperti apa yang ingin mereka ciptakan dengan bahasa yang mudah dipahami, lalu langsung mendapatkan jawabannya—tanpa tebakan atau bertahun-tahun eksperimen dan kesalahan.
“Setiap perusahaan yang membuat sesuatu pasti ingin bisa mendesainnya dengan sempurna sejak awal,” kata Troyer. “Komputer kuantum mengajarkan AI bahasa sehari-hari, sehingga AI bisa langsung memberikan resep dari apa yang ingin Anda buat.”
Memikirkan Ulang Komputasi Kuantum dalam Skala Besar
Dunia kuantum beroperasi berdasarkan hukum mekanika kuantum, yang berbeda dari hukum fisika klasik yang kita kenal. Partikel yang digunakan dalam komputasi kuantum disebut qubit atau quantum bit, yang secara prinsip serupa dengan bit dalam komputer klasik—yaitu kombinasi nol dan satu.
Qubit sangat rentan dan mudah mengalami gangguan dari lingkungan sekitarnya, yang bisa menyebabkan terjadinya kesalahan dan hilangnya informasi. Keadaan qubit juga dapat terpengaruh oleh proses pengukuran—yang menjadi tantangan besar, karena pengukuran merupakan elemen mendasar dalam komputasi.
Salah satu tantangan utama dalam pengembangan qubit adalah menciptakan qubit yang dapat diukur dan dikendalikan, sekaligus tetap terlindung dari gangguan lingkungan yang dapat merusaknya.
Qubit dapat dibuat dengan berbagai cara, masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Hampir 20 tahun yang lalu, Microsoft memilih untuk menempuh pendekatan yang unik: mengembangkan topological qubit, yang diyakini akan menghasilkan qubit yang lebih stabil, membutuhkan lebih sedikit koreksi kesalahan, serta memberikan keunggulan dalam kecepatan, ukuran, dan kontrolabilitas.
Pendekatan ini memang memerlukan kurva pembelajaran yang curam, menuntut terobosan ilmiah dan engineering yang belum pernah dilakukan sebelumnya. Namun, pendekatan ini juga dianggap sebagai jalan paling menjanjikan untuk menciptakan qubit yang scalable dan dapat dikendalikan, serta mampu melakukan pekerjaan komputasi bernilai komersial.
Kelemahannya—atau lebih tepatnya, kelemahan yang dulu sempat ada—adalah bahwa sebelumnya, partikel eksotis yang ingin digunakan oleh Microsoft, yang disebut Majorana, belum pernah ditemukan atau diciptakan. Partikel ini tidak ada di alam dan hanya bisa dipaksa muncul dalam kondisi tertentu menggunakan medan magnet dan superkonduktor.
Kesulitan dalam mengembangkan material yang tepat untuk menciptakan partikel eksotis ini serta keadaan topologi materi yang menyertainya adalah alasan utama mengapa sebagian besar penelitian kuantum lebih berfokus pada jenis qubit lainnya.
Makalah ilmiah di Nature – yang sudah peer-reviewed – yang baru saja diterbitkan menegaskan bahwa Microsoft telah berhasil menciptakan partikel Majorana, yang dapat melindungi informasi kuantum dari gangguan acak, sekaligus memungkinkan pengukuran partikel ini dengan akurasi tinggi menggunakan gelombang mikro.
Partikel Majorana menyembunyikan informasi kuantum dengan cara yang lebih tahan terhadap gangguan—membuatnya lebih andal, tetapi juga lebih sulit diukur. Namun, pendekatan pengukuran baru yang dikembangkan oleh Microsoft begitu presisi, sehingga dapat mendeteksi perbedaan antara satu miliar dan satu milliar satu elektron dalam kabel superkonduktor. Teknik ini memungkinkan komputer memahami dengan pasti kondisi qubit, sehingga dapat digunakan sebagai dasar dalam komputasi kuantum.
Metode pengukuran ini menggunakan pulsasi tegangan listrik—mirip dengan cara kerja saklar lampu—alih-alih menyesuaikan dial kontrol setiap qubit secara individual. Pendekatan yang lebih sederhana ini memungkinkan kontrol digital komputasi kuantum, sekaligus menyederhanakan persyaratan fisik untuk membangun mesin kuantum yang dapat diskalakan.
Selain itu, topological qubit dari Microsoft memiliki keunggulan dalam hal ukuran. Dalam skala sekecil ini, terdapat zona “Goldilocks”—di mana jika qubit terlalu kecil, maka sulit untuk menjalankan garis kontrol listrik, tetapi jika qubit terlalu besar, maka akan memerlukan perangkat keras berukuran sangat besar, jelas Troyer. Menambahkan teknologi individualized untuk jenis qubit tersebut saja memerlukan komputer berukuran hangar pesawat atau lapangan sepak bola, yang tentunya tidak praktis.
Ukuran Majorana 1—chip kuantum Microsoft—berisi qubit serta kontrol elektroniknya, cukup kecil untuk diletakkan di telapak tangan, serta dapat dengan mudah dimuat dalam komputer kuantum, yang juga dengan mudah dapat diintegrasikan ke dalam datacenter Azure.
“Menemukan materi baru adalah satu hal,” kata Chetan Nayak. “Namun, memanfaatkannya untuk merevolusi komputasi kuantum dalam skala besar adalah tantangan yang berbeda.”
Mendesain Material Kuantum, Atom demi Atom
Arsitektur topological qubit Microsoft terdiri dari nanowire berbahan aluminium yang disusun membentuk struktur H. Setiap H memiliki empat Majorana yang dapat dikontrol dan membentuk satu qubit. Struktur H ini dapat disusun, dihubungkan, dan diperluas, layaknya ubin yang disusun untuk membangun skala yang lebih besar.
“Prosesnya cukup kompleks pada awalnya, karena kita harus menciptakan keadaan materi yang benar-benar baru,” kata Krysta Svore, Microsoft Technical Fellow. “Namun setelah berhasil, arsitekturnya menjadi jauh lebih sederhana. [Arsitekturnya] dapat disusun. Kita akan memiliki arsitektur yang menjanjikan jalur peningkatan skala yang jauh lebih cepat.”
Chip kuantum tidak bekerja sendiri—mereka membutuhkan ekosistem yang mencakup logika kontrol, sebuah dilution refrigerator yang menjaga qubit pada suhu jauh lebih dingin dibanding luar angkasa, serta tumpukan perangkat lunak yang mampu mengintegrasikan AI dan komputer klasik. Semua elemen ini sudah dikembangkan atau dimodifikasi secara internal oleh Microsoft, papar Svore.
Menyempurnakan proses ini dan membuat semua komponen bekerja secara harmonis dalam skala besar masih memerlukan beberapa tahun pekerjaan engineering. Meski demikian, banyak permasalahan sains dan tantangan engineering sudah dipecahkan, jelas Microsoft.
Menciptakan susunan material yang dapat menghasilkan topological state of matter adalah salah satu tantangan paling sulit, Svore menambahkan. Alih-alih silikon, topoconductor Microsoft terbuat dari indium arsenide, material yang biasa digunakan dalam detektor infrared karena memiliki sifat spesifik yang unik. Semikonduktor digabungkan dengan superkonduktivitas, dalam kondisi yang sangat dingin, untuk menciptakan hybrid [yang memungkinkan Majorana berfungsi].
“Kami secara literal menyusun material ini atom demi atom. Struktur material harus tersusun sempurna, karena jika ada terlalu banyak cacat dalam tumpukan material, qubit akan gagal bekerja,” tambah Svore.
“Ironisnya, tantangan ini adalah alasan utama mengapa kita membutuhkan komputer kuantum – sebab memahami material seperti ini sangat sulit. Dengan scaled komputer kuantum, kita akan bisa memprediksi dan merancang material dengan properti yang lebih baik, untuk membangun generasi berikutnya dari komputer kuantum dalam skala besar,” pungkas Svore.
###
Tautan Terkait:
- Pelajari lebih lanjut: Memperkenalkan Microsoft Majorana 1
- Baca lebih lanjut: Microsoft meluncurkan Majorana 1, prosesor kuantum pertama di dunia yang didukung oleh topological qubits
- Pelajari lebih lanjut: Program Quantum Ready Microsoft
- Pelajari lebih lanjut: Azure Quantum Solutions
- Baca lebih lanjut: Momen bersejarah: Azure Quantum mendemonstrasikan fisika yang selama ini sulit dipahami untuk membangun topological qubits yang dapat diskalakan
Gambar utama: Majorana 1, chip kuantum pertama di dunia yang ditenagai oleh arsitektur Topological Core baru yang dikembangkan oleh Microsoft. Foto oleh John Brecher untuk Microsoft.