Oleh: Ahmad Hazazi Ahmad Sumadi
Khalayak saintifik umumnya cakna bahawa para saintis komputer mengimpikan dan telah pun berusaha untuk membangunkan komputer kuantum yang benar-benar berguna. Ia tidak hanya untuk digunakan beberapa ketika tetapi berguna untuk selama beberapa dekad lamanya, seperti membangunkan satu algoritma yang boleh menjalankan pengiraan yang secara lazimnya akan mengambil tempoh masa ratusan, ribuan atau bahkan jutaan tahun untuk disiapkan jika ianya menggunakan superkomputer lazim. Tetapi mereka masih belum berjaya mencapai impian tersebut. Namun begitu, selari dengan pergerakan masa dan zaman, kemajuan dalam usaha itu tetap berterusan apabila teknologi baharu mula diperkenalkan. Komputer kuantum, seperti yang selalu dicanangkan, telah menjadi tumpuan sejagat untuk menjadi suatu teknologi termaju yang bakal menjanjikan revolusi dalam pengiraan yang amat pantas untuk kerja-kerja saintifik tertentu.
Penemuan oleh kumpulan penyelidikan Google
Dengan kemampuan untuk melakukan operasi yang tidak mungkin boleh dicapai oleh komputer atau superkomputer lazim, seperti yang ditunjukkan dalam kumpulan penyelidikan Google mengenai “keunggulan kuantum (quantum supremacy)” (yang telah dikupas dalam Fizikkini.com beberapa tahun lalu di sini dan disusuli oleh perkembangan yang sama dengan istilah berbeza iaitu “kelebihan kuantum (quantum advantage) oleh ahli fizik China di sini). Ia bakal menjanjikan perubahan besar dan mendasar dalam pelbagai bidang seperti kepintaran buatan (artificial intelligence), simulasi kuantum, kimia kuantum, sistem keselamatan siber, sistem perbankan dan sebagainya. Walaubagaimana pun, cabaran terbesar seperti “ralat (error)” atau “hingar (noise)” dari lingkungan luar yang wujud dalam setiap operasi yang dijalankan masih lagi menjadi tembok halangan utama untuk pencapaian komputer kuantum yang bersifat lebih praktikal untuk kegunaan ramai.
Pembetulan Ralat Kuantum
Pada tahun 2023 kumpulan penyelidikan Google dalam satu kajian yang telah diterbitkan dalam jurnal terkemuka Nature telah menunjukkan tentang bagaimana kod permukaan (surface codes), sebagai sebahagian daripada kod pembetulan ralat kuantum (quantum error-correction codes, QEC) boleh digunakan untuk mengurangkan kesan ralat, walaupun memerlukan penggunaan banyak qubit fizikal untuk menguatkan satu qubit logik. Contohnya, kod permukaan jarak-5 (distance 5-logical code) yang mengandungi 49 qubit menunjukkan prestasi yang lebih baik berbanding kod permukaan jarak-3 yang lebih kecil. Pembetulan ralat (error correction) memerlukan peningkatan dalam saiz dan bilangan qubit fizikal yang digunakan, untuk mengatasi gangguan ralat fizikal. Kajian oleh mereka mendapati bahawa dengan pembesaran kod QEC, mereka berjaya mengurangkan kadar ralat logik sehingga pada aras yang boleh diterima untuk pengiraan skala besar
Pensampelan Litar Rawak
Baru-baru ini kumpulan penyelidikan Google, yang terdiri dari sepasukan fizikawan, jurutera, dan ahli sains kuantum, sekali lagi telah menghasilkan satu lagi penemuan penting yang juga diterbitkan dalam jurnal terkemuka Nature, mengenai peralihan fasa (phase transition). Mereka telah membangunkan satu algoritma yang boleh dijalankan atau bekerja sama ada oleh komputer kuantum atau superkomputer lazim bagi menguji kebolehan kedua-duanya terhadap satu sama lain. Ia dikenali sebagai pensampelan litar rawak (random circuit sampling, RCS) yang dapat memberi penerangan terhadap cara mengatasi cabaran hingar dari lingkungan luar dalam pemproses kuantum (quantum processor). Secara teknikalnya, algoritma RCS, yang pada dasarnya tidak melakukan apa-apa melainkan hanya menjana satu siri nombor rawak, dapat menunjukkan bahawa mengurangkan hingar ke tahap tertentu membolehkan cip kuantum sycamore (yang dibangunkan oleh Google itu) dapat mengalahkan superkomputer lazim dalam menjalankan pensampelan litar rawak.
Apa itu pensampelan litar rawak? Ia adalah salah satu kaedah yang digunakan bagi menguji kekompleksan pemproses kuantum. Dalam RCS, satu set litar rawak dihasilkan dan hasilnya dibanding-bezakan dengan simulasi klasik untuk menentukan tahap kerumitan yang boleh dicapai oleh komputer kuantum. Kaedah ini digunakan secara meluas untuk menunjukkan bahawa komputer kuantum boleh mengatasi batasan komputer klasik, terutamanya dalam masalah yang tidak dapat diselesaikan dengan mudah, cepat dan pantas oleh superkomputer lazim.
Melalui ujikaji, para penyelidik itu berjaya menunjukkan dua peralihan fasa yang diperhatikan menggunakan RCS. Peralihan pertama berlaku disebabkan oleh sistem dinamik, manakala yang kedua adalah peralihan fasa kuantum yang dikawal oleh kadar ralat setiap kitaran. Ujikaji ini membuktikan bahawa tahap kerumitan pengiraan yang melangkaui kemampuan superkomputer lazim dapat dicapai dengan pemproses kuantum semasa dalam keadaan hingar yang sangat rendah.
Disini penyelidik di Google berusaha untuk mengurangkan hingar latar (background noise), dengan cara meletakkan cip mereka dalam ruang hampir sifar mutlak semasa cip sedang melakukan kerja. Hasilnya, walaupun pengurangan kecil dalam hingar, seperti daripada kadar bebas ralat 99.4% kepada 99.7%, ini telah mengakibatkan perubahan yang penuh bergaya untuk segala keupayaannya. Selain itu, mereka juga berjaya mengurangkan kadar ralat cip mereka secukupnya agar membolehkannya mencapai “kelebihan kuantum (quantum advantage)” apabila menjalankan pensampelan litar rawak.
Penemuan ini mempunyai dampak besar terhadap masa depan pengiraan kuantum. Dengan memahami bagaimana peralihan fasa ini berlaku, para saintis dapat memperbaiki pemproses kuantum yang lebih baik dan lebih berdaya tahan terhadap kesan hingar itu. Ini juga menunjukkan bahawa komputer kuantum semasa yang sudah pun dibangunkan, walaupun berhadapan dengan cabaran hingar, masih boleh mencapai prestasi yang boleh menjangkaui kemampuan superkomputer lazim seperti yang ditunjukkan dalam ujikaji dengan 67 qubit yang melibatkan 32 kitaran litar rawak. Hal yang demikian memberi gambaran bahawa para saintis semakin menghampiri untuk mencapai impian mereka membangunkan komputer kuantum yang benar-benar berhasil dan berguna kelak.
Cabaran masa depan
Walaupun kemajuan dalam pembetulan ralat kuantum semakin hampir dengan sasarannya namun cabaran seperti penurunan prestasi akibat gangguan luar seperti sinaran kosmik juga perlu diatasi. Terkini IBM dan Google bersama-sama sedang menerajui pembangunan komputer kuantum yang lebih cekap dan berdaya tahan terhadap kesilapan dan ralat. Teknologi kuantum ini masih berada pada fasa awal, tetapi dengan pelaburan yang berterusan dan usaha dalam pembetulan ralat dalam kajian demi kajian yang mereka jalankan, kita mungkin dapat melihat komputer kuantum skala besar yang boleh digunakan dalam pelbagai kegunaan dalam pelbagai ranah pada masa hadapan.
Penemuan tentang peralihan fasa dalam pensampelan litar rawak memberi harapan baru terhadap penggunaan komputer kuantum dalam menyelesaikan masalah yang tidak dapat diselesaikan oleh superkomputer lazim. Walaupun masih berdepan dengan pelbagai cabaran terutamanya berkaitan dengan ralat dan hingar, kemajuan teknologi kuantum yang stabil mungkin akan membawa dunia pengkomputeran ke era baru. Diperingkat tempatan, jika kita mempunyai kerangka dasar dan strategi yang baik dan betul Malaysia juga boleh turut serta dalam revolusi ini dan memainkan peranan penting dalam perkembangan teknologi kuantum sejagat pada masa hadapan.
Catatan: Penulis merupakan calon Doktor Falsafah dalam bidang fizik teori di Institut Penyelidikan Matematik (INSPEM), Universiti Putra Malaysia
