Teka-teki Jam Membatasi Masa Depan Komputasi Kuantum

Komputasi kuantum menjadi lebih mudah diakses untuk melakukan perhitungan. Namun penelitian menunjukkan bahwa terdapat keterbatasan yang melekat, terutama terkait kualitas jam tangan yang digunakan.

Ada berbagai gagasan berbeda tentang bagaimana komputer kuantum dapat dibuat. Namun semuanya memiliki satu kesamaan: Anda mengambil sistem fisika kuantum – sebuah atom, misalnya – dan mengubah keadaannya dengan memaparkannya pada gaya yang sangat spesifik selama jangka waktu tertentu. Namun, ini berarti bisa diandalkan komputasi kuantum operasi untuk memberikan hasil yang benar, Anda memerlukan jam yang setepat mungkin.

Namun di sini Anda menemui masalah: pengukuran waktu yang sempurna tidak mungkin dilakukan. Setiap jam memiliki dua sifat mendasar: presisi tertentu dan resolusi waktu tertentu. Resolusi waktu menunjukkan seberapa kecil interval waktu yang dapat diukur – yaitu seberapa cepat jam berdetak. Presisi memberi tahu Anda seberapa besar ketidakakuratan yang dapat Anda harapkan pada setiap centang.

Tim peneliti mampu menunjukkan bahwa karena tidak ada jam yang memiliki jumlah energi yang tidak terbatas (atau menghasilkan jumlah entropi yang tidak terbatas), jam tersebut tidak akan pernah memiliki resolusi sempurna dan presisi sempurna pada saat yang bersamaan. Hal ini menetapkan batasan mendasar terhadap kemungkinan komputer kuantum.

Langkah-langkah perhitungan kuantum seperti rotasi

Di dunia klasik kita, operasi aritmatika sempurna tidak menjadi masalah. Misalnya, Anda bisa menggunakan sempoa di mana bola kayu diikatkan ke tongkat dan didorong maju mundur. Manik-manik kayu memiliki keadaan yang berbeda-beda, dan masing-masing berada di tempat yang sangat spesifik, jika Anda tidak melakukan apa pun, manik itu akan tetap di tempatnya.

Dan apakah Anda menggerakkan manik dengan cepat atau lambat tidak mempengaruhi hasilnya. Namun dalam fisika kuantum, segalanya menjadi lebih rumit.

“Secara matematis, perubahan keadaan kuantum dalam komputer kuantum setara dengan rotasi dalam dimensi yang lebih tinggi,” kata Jake Xuereb dari Institut Atom di Universitas Teknologi Wina bersama tim Marcus Huber dan penulis pertama makalah pertama. “Untuk mencapai keadaan yang diinginkan, rotasi harus dilaksanakan dalam jangka waktu yang sangat spesifik. Jika tidak, Anda akan bertindak terlalu pendek atau terlalu jauh.”

Entropi: Waktu membuat segalanya berantakan

Marcus Huber dan timnya menyelidiki secara umum hukum mana yang harus selalu berlaku pada setiap jam yang ada. “Pengukuran waktu selalu berhubungan dengan entropi,” jelas Marcus Huber. Dalam sistem fisik tertutup mana pun, entropi meningkat dan menjadi semakin tidak teratur. Perkembangan inilah yang menentukan arah waktu: masa depan adalah saat entropinya lebih tinggi, masa lalu adalah saat entropinya lebih rendah lagi.

Seperti yang dapat ditunjukkan, pengukuran waktu apa pun pasti terkait dengan peningkatan entropi: sebuah jam, misalnya, memerlukan baterai, yang energinya pada akhirnya diubah menjadi panas gesekan dan suara detak melalui mekanisme jam – sebuah proses yang memerlukan waktu yang cukup lama. keadaan normal baterai diubah menjadi keadaan panas dan radiasi suara yang agak tidak teratur.

Atas dasar tersebut, tim peneliti mampu membuat model matematika yang pada dasarnya harus dipatuhi oleh setiap jam yang ada. “Untuk peningkatan entropi tertentu, terdapat trade-off antara resolusi waktu dan presisi,” kata Florian Meier, penulis pertama makalah kedua. Artinya: Jam bekerja dengan cepat atau bekerja dengan tepat – tidak mungkin melakukan keduanya secara bersamaan.

Keterbatasan untuk komputer kuantum

Kesadaran ini kini membawa serta keterbatasan alami bagi komputer kuantum: resolusi dan presisi yang dapat dicapai dengan jam membatasi kecepatan dan keandalan yang dapat dicapai dengan komputer kuantum. “Saat ini hal itu tidak menjadi masalah,” kata Marcus Huber. “Saat ini, ketepatan Komputer kuantum masih dibatasi oleh faktor lain, misalnya ketepatan komponen yang digunakan atau medan elektromagnetik. Namun perhitungan kami juga menunjukkan bahwa kita saat ini tidak jauh dari rezim di mana batas fundamental pengukuran waktu memainkan peran yang menentukan.”

Oleh karena itu, jika teknologi pemrosesan informasi kuantum semakin ditingkatkan, kita pasti harus menghadapi masalah pengukuran waktu yang tidak optimal. Tapi siapa yang tahu: Mungkin dengan cara inilah kita bisa mempelajari sesuatu yang menarik tentang dunia kuantum.

Referensi: “Dampak Ketepatan Waktu yang Tidak Sempurna pada Kontrol Kuantum” oleh Jake Xuereb, Paul Erker, Florian Meier, Mark T. Mitchison dan Marcus Huber, 20 Oktober 2023, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.160204