Komputer kuantum, sistem komputasi yang memproses informasi menggunakan efek mekanika kuantum, dapat mengungguli komputer klasik dalam beberapa tugas komputasi. Komputer-komputer ini mengandalkan qubit, unit dasar informasi kuantum, yang dapat berada di beberapa keadaan (0, 1 atau keduanya secara bersamaan), karena efek kuantum yang dikenal sebagai superposisi dan keterjeratan.
Banyak komputer kuantum yang dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir didasarkan pada superkonduktor konvensional, bahan yang menunjukkan hambatan listrik nol pada suhu yang sangat rendah. Agar dapat beroperasi dengan andal dan menunjukkan superkonduktivitas, sirkuit yang berbahan dasar bahan ini perlu didinginkan hingga suhu miliklvin.
Dalam komputer kuantum, setiap qubit biasanya memerlukan garis kendalinya sendiri. Ini berarti bahwa para insinyur perlu memperkenalkan beberapa kabel yang membawa pulsa listrik (yaitu, jalur sinyal), dan jumlah kabel yang diperlukan bertambah seiring dengan jumlah qubit. Ketika komputer kuantum tumbuh lebih besar, hal ini dapat menjadi masalah, karena prosesor menjadi lebih sulit untuk dibangun dan dioperasikan dengan andal.
Para peneliti di Seeqc Inc., sebuah perusahaan yang mengembangkan sistem komputasi kuantum digital, baru-baru ini memperkenalkan prosesor kuantum baru yang dapat beroperasi dengan andal dan pada suhu milikkelvin, meskipun memerlukan kabel yang jauh lebih sedikit. Prosesor ini, diperkenalkan dalam makalah yang diterbitkan diElektronik Alam, memiliki desain unik di mana qubit dan elektronik kontrolnya diintegrasikan pada dua chip superkonduktor yang terpisah namun terhubung.
“Pengembangan platform komputasi kuantum superkonduktor menghadapi tantangan penskalaan yang cukup besar karena jalur sinyal individual diperlukan untuk mengontrol setiap qubit,” tulis Caleb Jorda, Jacob Bernhardt dan rekannya dalam makalah mereka. “Overhead pengkabelan ini adalah hasil dari rendahnya tingkat integrasi antara elektronik kontrol pada suhu kamar dan qubit yang beroperasi pada suhu milikelvin. Alternatif yang menjanjikan adalah dengan menggunakan elektronik kontrol digital superkonduktor kriogenik yang hidup berdampingan dengan qubit.”
Mengatasi tantangan pengkabelan
Untuk mengatasi masalah pengkabelan yang sejauh ini menghambat pengembangan-prosesor kuantum berskala lebih besar, tim peneliti ini merancang modul multi-chip baru. Modul ini terdiri dari dua chip terpisah, satu menampung qubit dan yang lainnya mengontrol elektronik.
Para peneliti secara khusus menggunakan elektronik kontrol kuantum-fluks tunggal, sirkuit digital superkonduktor yang menghasilkan pulsa listrik yang sangat pendek dan presisi melalui sinyal magnetik terkuantisasi yang sangat kecil. Chip yang menampung sirkuit ini dihubungkan ke chip yang berisi sirkuit superkonduktor menggunakan pendekatan yang dikenal sebagai pengikatan flip-chip.
Pendekatan ini memerlukan penempatan chip secara-ke-hadapan dan kemudian menghubungkannya melalui tonjolan logam mikroskopis. Seluruh modul multi-chip yang dikembangkan oleh Jorda, Bernhardt, dan rekan mereka beroperasi di dalam pengaturan kriogenik yang menjaganya pada suhu miliklvin.
"Kami menghadirkan unit prosesor kuantum aktif di mana qubit dan-elektronik kontrol kuantum fluks tunggal diintegrasikan ke dalam modul multi-chip tunggal melalui pengikatan-chip flip," tulis para penulis. "Sistem kami menggunakan demultiplexing digital untuk mendistribusikan pulsa kontrol ke beberapa qubit, sehingga memecah penskalaan linier garis kontrol menjadi jumlah qubit. Dengan pendekatan ini, kami menunjukkan fidelitas-qubit tunggal di atas 99% dan hingga 99,9%."
Pendekatan baru untuk prosesor kuantum kelas atas
Prosesor kuantum yang dirancang oleh tim peneliti ini memiliki keunggulan penting dibandingkan banyak prosesor kuantum superkonduktor lain yang diperkenalkan di masa lalu. Dalam pengujian awal, ternyata kinerjanya sangat baik, mempertahankan kontrol yang sangat baik atas qubit tanpa memerlukan kabel yang ekstensif.
Di masa depan, desain baru ini dapat ditingkatkan untuk menciptakan prosesor kuantum yang lebih besar yang berisi banyak qubit tambahan sehingga berpotensi mengatasi masalah komputasi yang lebih kompleks. Selain itu, hal ini dapat menginspirasi pengenalan modul kuantum multi-chip serupa lainnya yang beroperasi dengan andal dan lebih mudah untuk ditingkatkan.
