---

Menjelajahi Dunia Quantum: Suksesnya Simulasi Super Diffusion pada Komputer Quantum oleh Fisikawan Quantum Trinity College Dublin

17 Agustus 2023 | Sumber: Trinity College Dublin

Para fisikawan quantum di Trinity College Dublin, bekerja sama dengan IBM Dublin, berhasil mensimulasikan super diffusion dalam sebuah sistem partikel quantum yang berinteraksi pada komputer quantum. Langkah ini menjadi pencapaian awal dalam melakukan perhitungan transportasi quantum yang sangat menantang pada perangkat keras quantum, dan seiring perbaikan perangkat keras dari waktu ke waktu, pekerjaan semacam ini berjanji untuk membawa cahaya baru dalam fisika materi terkondensasi dan ilmu material.

Simulasi ini menjadi salah satu hasil awal dari program beasiswa doktor TCD-IBM yang baru-baru ini didirikan, di mana IBM mempekerjakan mahasiswa PhD sebagai karyawan sambil diawasi bersama di Trinity. Paper ini baru-baru ini dipublikasikan dalam jurnal Nature yang terkemuka, NPJ Quantum Information.

IBM, sebagai pemimpin global di bidang komputasi quantum, menggunakan komputer quantum tahap awal yang terdiri dari 27 qubit superkonduktor (qubit adalah blok bangunan logika quantum) dan terletak di laboratorium IBM di Yorktown Heights, New York, dioperasikan dari jarak jauh dari Dublin.

Komputasi quantum saat ini menjadi salah satu teknologi paling menarik dan diperkirakan akan mendekati aplikasi komersial dalam dekade mendatang. Di samping aplikasi komersial, ada pertanyaan dasar yang menarik yang dapat dijawab oleh komputer quantum. Tim di Trinity dan IBM Dublin menghadapi satu pertanyaan tentang simulasi quantum.

Profesor John Goold, Direktur Trinity Quantum Alliance yang baru didirikan, yang memimpin penelitian ini, menjelaskan: “Secara umum, masalah mensimulasikan dinamika sistem quantum yang kompleks dengan banyak komponen yang saling berinteraksi adalah tantangan besar bagi komputer konvensional. Pertimbangkan 27 qubit pada perangkat ini. Dalam mekanika kuantum, keadaan sistem seperti ini dijelaskan secara matematis oleh objek yang disebut fungsi gelombang. Untuk menggunakan komputer standar untuk menjelaskan objek ini, Anda memerlukan sejumlah besar koefisien yang akan disimpan dalam memori, dan tuntutannya meningkat secara eksponensial dengan jumlah qubit; kira-kira 134 juta koefisien, dalam kasus simulasi ini.

“Saat Anda memperluas sistem menjadi misalnya 300 qubit, Anda akan memerlukan lebih banyak koefisien daripada jumlah atom dalam alam semesta yang dapat diamati untuk menjelaskan sistem tersebut, dan tidak ada komputer klasik yang dapat secara tepat menangkap keadaan sistem tersebut. Dengan kata lain, kita mencapai batas saat mensimulasikan sistem quantum. Ide menggunakan sistem quantum untuk mensimulasikan dinamika quantum kembali ke fisikawan Quantum Amerika yang memenangkan Nobel, Richard Feynman, yang mengusulkan bahwa sistem quantum paling baik disimulasikan menggunakan sistem quantum. Alasannya sederhana — Anda secara alami memanfaatkan fakta bahwa komputer quantum dijelaskan oleh fungsi gelombang, sehingga menghindari kebutuhan untuk sumber daya klasik eksponensial untuk penyimpanan keadaan.”

Lalu apa yang sebenarnya disimulasikan oleh tim? Prof. Goold melanjutkan: “Beberapa sistem quantum yang paling sederhana namun signifikan adalah rantai spin. Ini adalah sistem magnet kecil yang terhubung disebut spin, yang meniru material yang lebih kompleks dan digunakan untuk memahami magnetisme. Kami tertarik pada model yang disebut Heisenberg chain dan kami khususnya tertarik pada perilaku jangka panjang tentang bagaimana eksitasi spin diangkut melintasi sistem. Dalam batas waktu panjang ini, sistem quantum banyak tubuh memasuki rezim hidrodinamika dan transportasi dijelaskan oleh persamaan yang menggambarkan fluida klasik.

“Kami tertarik pada rezim tertentu di mana terjadi sesuatu yang disebut super-diffusion karena fisika mendasarnya diperintah oleh sesuatu yang disebut persamaan Kardar-Parisi-Zhang. Ini adalah persamaan yang umumnya menggambarkan pertumbuhan stokastik suatu permukaan atau antarmuka seperti bagaimana tinggi salju tumbuh selama badai salju, bagaimana noda cangkir kopi di kain tumbuh seiring waktu, atau bagaimana api debu tumbuh. Propagasi dikenal memberikan transportasi super difusif. Ini adalah transportasi yang menjadi lebih cepat saat Anda meningkatkan ukuran sistem. Menakjubkan bahwa persamaan yang sama yang menggambarkan fenomena ini muncul dalam dinamika quantum dan kami dapat menggunakan komputer quantum untuk memverifikasinya. Ini adalah pencapaian utama dari pekerjaan ini.”

Nathan Keenan, penerima beasiswa doktor TCD-IBM yang memprogram perangkat sebagai bagian dari proyek ini, berbicara tentang beberapa tantangan dalam memprogram komputer quantum. “Masalah terbesar dalam memprogram komputer quantum adalah melakukan perhitungan yang berguna di hadapan noise,” katanya. “Operasi yang dilakukan pada tingkat chip tidak sempurna, dan komputer sangat sensitif terhadap gangguan dari lingkungan laboratoriumnya. Akibatnya, Anda ingin meminimalkan waktu

eksekusi program yang berguna, karena ini akan mempersingkat waktu di mana kesalahan dan gangguan ini dapat terjadi dan memengaruhi hasil Anda.”

Juan Bernabé-Moreno, Direktur Penelitian IBM UK & Ireland, mengatakan: “IBM memiliki sejarah panjang dalam memajukan teknologi komputasi quantum, bukan hanya dengan membawa puluhan tahun penelitian tetapi juga dengan menyediakan program dan ekosistem komersial quantum terbesar dan terluas. Kolaborasi kami dengan Trinity College Dublin, melalui MSc for Quantum Science and Technology dan program PhD, adalah contoh dari hal ini dan saya senang bahwa ini sudah memberikan hasil yang menjanjikan.”

Saat dunia memasuki era baru simulasi quantum, menghibur untuk tahu bahwa fisikawan quantum Trinity berada di garis depan — memprogram perangkat dari masa depan. Simulasi quantum adalah pilar sentral penelitian dalam Trinity Quantum Alliance yang baru diluncurkan, yang didirikan dan dipimpin oleh Prof. John Goold, yang memiliki lima mitra industri pendiri, termasuk IBM, Microsoft, Algorithmiq, Horizon, dan Moody’s Analytics.

---

Sumber:
Nathan Keenan, Niall F. Robertson, Tara Murphy, Sergiy Zhuk, John Goold. Evidence of Kardar-Parisi-Zhang scaling on a digital quantum simulator. npj Quantum Information, 2023; 9 (1) DOI: 10.1038/s41534-023-00742-4