Mengenal Qutrit & Ququart: Teknologi Kuantum Generasi Baru

Selama bertahun-tahun, dunia komputasi telah bergantung pada sistem biner sebuah sistem yang didasarkan pada dua kemungkinan nilai: 0 dan 1. Dalam sistem komputer klasik, ini diwujudkan dalam transistor silikon yang hanya memiliki dua keadaan: menghantarkan listrik atau tidak. Semua operasi logika, aritmatika, dan penyimpanan data yang terjadi di komputer modern dibangun di atas fondasi dua nilai ini.

Bahkan ketika kita berbicara tentang komputasi kuantum, pendekatan biner ini tetap mendominasi melalui apa yang disebut sebagai qubit (quantum bit), unit terkecil dari informasi dalam komputer kuantum. Qubit bisa berada dalam dua keadaan dasar (|0⟩ dan |1⟩), atau kombinasi dari keduanya secara bersamaan berkat prinsip superposisi kuantum.

Namun, dunia kuantum tidak harus terbatas pada dua keadaan saja. Fenomena fisika kuantum memungkinkan suatu sistem berada dalam lebih dari dua kemungkinan keadaan. Inilah yang melahirkan konsep qudit, yang merupakan singkatan dari quantum digit, dan di dalamnya termasuk qutrit (tiga keadaan) dan ququart (empat keadaan). Kini, para ilmuwan mulai mengeksplorasi kemungkinan besar yang tersembunyi di balik pendekatan baru ini.

Apa Itu Qudit?

Qudit adalah singkatan dari quantum digit, yaitu versi yang lebih umum dari qubit dalam komputasi kuantum.

Perbedaan Qubit vs Qudit

• Qubit (quantum bit): Sistem kuantum dua tingkat yang bisa berada dalam superposisi antara dua keadaan: |0⟩ dan |1⟩.
• Qudit (quantum digit): Sistem kuantum d-tingkat, yang bisa berada dalam superposisi dari lebih dari dua keadaan, yaitu: |0⟩, |1⟩, ..., |d−1⟩.

Contoh:

• Jika d = 3 → disebut qutrit (quantum trit)
• Jika d = 4 → disebut ququart

Banyak sistem kuantum secara alami memiliki lebih dari dua tingkat energi. Sebagai contoh, elektron yang mengorbit di sekitar inti atom bisa berada dalam berbagai tingkat energi. Selama ini, untuk membangun qubit, kita hanya menggunakan dua tingkat energi terendah. Namun secara teori, tidak ada yang membatasi kita untuk menggunakan lebih dari dua tingkat tersebut.

Di sinilah qudit hadir sebagai alternatif yang menjanjikan. Qudit bisa memiliki tiga (qutrit), empat (ququart), bahkan lebih banyak keadaan. Dengan menggunakan sistem ini, secara teori kita bisa menyimpan dan memproses informasi kuantum lebih banyak dalam jumlah perangkat keras yang lebih sedikit.

Mengapa Qudit Masih Belum Populer?

Walaupun terdengar menjanjikan, penggunaan qudit belum menjadi arus utama dalam pengembangan komputer kuantum. Hal ini disebabkan oleh beberapa tantangan besar:

• Batasan Perangkat Keras
  Sebagian besar perangkat keras kuantum yang ada saat ini, seperti transmon atau trapped ions, dirancang untuk mendukung dua keadaan saja. Mengubahnya untuk mendukung lebih banyak keadaan bisa menjadi tantangan teknis besar.
• Perbedaan Energi Kecil
  Semakin banyak tingkat energi yang digunakan, semakin kecil selisih antar tingkat tersebut. Akibatnya, membedakan setiap keadaan menjadi semakin sulit dan mudah terganggu oleh noise.
• Pemrograman Lebih Rumit
  Mengoperasikan sistem dengan lebih dari dua kemungkinan nilai memerlukan perubahan besar dalam model pemrograman kuantum. Algoritma dan logika dasar perlu dirancang ulang agar sesuai dengan struktur qudit.

Namun, di balik tantangan tersebut, ada potensi luar biasa. Dengan jumlah komponen fisik yang lebih sedikit, kita bisa mencapai kinerja yang setara atau bahkan lebih baik daripada sistem berbasis qubit selama kita bisa menjaga kesalahan tetap rendah.

Eksperimen Qutrit dan Ququart

Dalam edisi terbaru jurnal ilmiah Nature, sekelompok peneliti telah mencapai tonggak penting dalam dunia komputasi kuantum. Mereka berhasil melakukan demonstrasi pertama koreksi kesalahan kuantum pada sistem yang lebih kompleks dari qubit, yaitu qutrit dan ququart.

Apa Itu Qutrit dan Ququart?
Kebanyakan komputer kuantum saat ini menggunakan qubit, yaitu unit informasi kuantum yang dapat berada dalam dua keadaan: 0 dan 1 (atau superposisi keduanya). Namun, qutrit dan ququart adalah bentuk yang lebih "kaya", karena masing-masing memiliki tiga (qutrit) dan empat (ququart) tingkat atau keadaan. Ini artinya, satu qutrit bisa menyimpan lebih banyak informasi daripada satu qubit, dan begitu pula ququart.

Namun, dengan bertambahnya kompleksitas, muncul tantangan baru terutama dalam hal stabilitas dan koreksi kesalahan.

Bagaimana Eksperimen Ini Dilakukan?
Eksperimen ini menggunakan perangkat berbasis transmon, yaitu sejenis qubit superkonduktor. Untuk menciptakan qutrit dan ququart, para peneliti menyambungkan transmon ini dengan sebuah resonator gelombang mikro tambahan, yang dikenal dengan nama microwave cavity.

Ketika resonator ini diisi dengan foton (partikel cahaya), ia mulai berosilasi atau bergetar, dan membentuk pola interferensi. Karena berada dalam dunia kuantum, pola ini bisa berada dalam superposisi berbagai bentuk getaran (mode) pada waktu yang sama. Mode-mode inilah yang kemudian digunakan untuk menyimpan informasi dalam bentuk qutrit (3 mode osilasi) dan ququart (4 mode osilasi).

Tantangan: Makin Kompleks, Makin Rentan Terhadap Kesalahan

Menambahkan lebih banyak foton ke dalam sistem memang memungkinkan untuk menciptakan lebih banyak mode yang berarti bisa membentuk qutrit dan ququart. Tapi, ada harga yang harus dibayar: semakin banyak foton, semakin tinggi pula risiko kehilangan foton, dan itu berarti sistem menjadi semakin rentan terhadap kesalahan.

Kesalahan dalam sistem kuantum bisa terjadi karena berbagai alasan, seperti gangguan dari lingkungan, kehilangan foton, atau perubahan energi. Jika tidak dikoreksi, kesalahan ini bisa merusak informasi kuantum yang sedang disimpan atau diproses.

Solusinya: Quantum Error Correction
Inilah bagian paling penting dan menarik dari eksperimen ini. Para peneliti tidak hanya membuat qutrit dan ququart, tapi juga berhasil menerapkan metode untuk mendeteksi dan mengoreksi kesalahan dalam sistem yang jauh lebih kompleks ini dibanding qubit.

Keberhasilan ini membuka jalan baru bagi pengembangan komputer kuantum yang lebih efisien, lebih tangguh, dan lebih hemat sumber daya, karena informasi lebih banyak bisa disimpan dalam unit yang lebih sedikit selama kesalahan bisa dikendalikan.

Error Correction pada Qudit: Bagaimana Cara Kerjanya?

Keberhasilan eksperimen terbaru dalam pengembangan komputasi kuantum ini tidak lepas dari pendekatan unik yang digunakan para peneliti dalam mengelola sistem kuantum multi-keadaan yang dikenal sebagai qudit. Dalam hal ini, perangkat transmon tidak hanya digunakan untuk mengatur dan membaca informasi dari resonator (cavity), tetapi dimanfaatkan secara lebih canggih untuk melakukan weak measurement.

Apa Itu Weak Measurement?
Dalam fisika kuantum, melakukan pengukuran terhadap suatu sistem sering kali berarti menghancurkan atau mengganggu keadaan kuantum tersebut. Namun, pengukuran lemah memungkinkan kita untuk "mengintip" sistem tanpa mengganggu kondisinya secara signifikan.

Teknik ini tidak memberikan hasil yang pasti seperti "0" atau "1", tetapi cukup memberikan petunjuk apakah ada gangguan atau kesalahan yang mulai terjadi dalam sistem. Informasi samar ini justru sangat berharga dalam menjaga stabilitas sistem kuantum yang sangat sensitif.

Bagaimana Sistem Mengoreksi Kesalahan?
Setelah sistem mendapatkan sinyal dari pengukuran lemah bahwa telah terjadi gangguan, langkah berikutnya adalah melakukan koreksi. Di sinilah keunikan pendekatan para peneliti semakin terlihat.

Alih-alih mengatur parameter kontrol secara manual yang sangat rumit dan memakan waktu karena sistem kuantum sangat dinamis, para peneliti menggunakan metode pembelajaran penguatan (reinforcement learning).

Dengan teknik ini, sistem secara otomatis belajar dari pengalaman. Ia mencoba berbagai cara untuk menyesuaikan kontrol, dan memperkuat strategi yang berhasil menjaga kestabilan qudit. Pendekatan ini mirip seperti cara manusia atau hewan belajar dari trial-and-error untuk mencapai tujuan tertentu.

Hasil Eksperimen: Apakah Qudit Layak Digunakan?
Untuk menguji keefektifan koreksi kesalahan ini, para peneliti melakukan serangkaian percobaan dengan cavity yang dijalankan dalam tiga mode berbeda:

• Sebagai qubit (2 keadaan),
• Sebagai qutrit (3 keadaan),
• Sebagai ququart (4 keadaan).

Mereka kemudian mengukur berapa lama sistem dapat bertahan menyimpan informasi kuantum (coherence time) dalam masing-masing mode, baik dengan maupun tanpa koreksi kesalahan.

Hasilnya Mengejutkan
Tanpa koreksi kesalahan, sistem menjadi semakin tidak stabil seiring bertambahnya jumlah keadaan. Artinya:

• Qubit bertahan paling lama,
• Qutrit bertahan lebih singkat,
• Ququart bertahan paling singkat.

Ini masuk akal karena semakin kompleks sistemnya, semakin besar kemungkinan terjadi gangguan atau kehilangan informasi.

Namun, dengan aktivasi koreksi kesalahan, hasilnya berubah drastis:

• Qutrit dengan koreksi kesalahan bisa bertahan hampir selama qubit tanpa koreksi.
• Ququart dengan koreksi kesalahan bahkan bisa bertahan lebih lama dari qutrit yang tidak dikoreksi.

Secara umum, waktu bertahan meningkat hingga 1,8 kali lipat pada semua mode, berkat adanya mekanisme koreksi otomatis.

Apa Artinya untuk Masa Depan Komputasi Kuantum?

Perlu diingat bahwa eksperimen ini masih dalam tahap proof of principle, artinya baru merupakan bukti awal bahwa sistem ini bekerja. Belum ada integrasi antara banyak qudit, dan belum digunakan untuk perhitungan kuantum nyata.

Namun demikian, temuan ini membuka jalan untuk eksplorasi lebih lanjut. Jika qudit terbukti mampu menyimpan lebih banyak informasi dengan tingkat kesalahan yang bisa dikendalikan, maka hambatan besar dalam pengembangan komputer kuantum yakni keterbatasan jumlah qubit dan koreksi kesalahan bisa mulai teratasi.

Potensi manfaatnya:

• Skalabilitas: Bisa membangun sistem kuantum yang lebih efisien dengan jumlah perangkat lebih sedikit.
• Efisiensi perhitungan: Bisa menyimpan dan memproses lebih banyak data dalam satu unit.

Pengembangan algoritma baru: Munculnya qudit bisa memicu lahirnya algoritma yang berbeda dari pendekatan biner saat ini.

Kesimpulan:

Meskipun masih dalam tahap awal, eksplorasi terhadap qutrit dan ququart menunjukkan arah baru dalam evolusi komputasi kuantum. Dunia kuantum tidak terbatas hanya pada dua pilihan, dan dengan memanfaatkan lebih banyak keadaan, kita bisa membuka potensi luar biasa dalam penyimpanan dan pengolahan informasi.

Namun seperti halnya teknologi baru lainnya, tantangan teknis tetap ada. Baik itu dalam desain perangkat keras, model pemrograman, hingga sistem koreksi kesalahan, semuanya masih membutuhkan penelitian dan pengembangan lebih lanjut.

Tetapi satu hal sudah jelas: qubit bukan satu-satunya pemain di dunia kuantum. Dengan hadirnya qutrit dan ququart, kita kini memiliki kemungkinan baru untuk menjelajahi kompleksitas dan kekuatan penuh dari alam semesta kuantum.