Di tengah dorongan besar untuk membuat komputasi kuantum lebih andal, perhatian kini tidak hanya tertuju pada penambahan koreksi kesalahan. Ada pendekatan lain yang justru memanfaatkan randomisasi terkontrol untuk membuat gangguan lebih mudah dikelola, terutama saat lingkungan kerja qubit semakin berisik.
Gagasan ini menarik karena masalah utama pada sistem kuantum bukan sekadar banyaknya error, melainkan sifat error itu sendiri. Decoherence dapat membuat superposisi yang rapuh runtuh hanya karena gangguan kecil dari sekitar, sementara getaran termal dan fluktuasi elektromagnetik sudah cukup untuk memicu kesalahan.
Noise yang menekan fidelitas
Di dalam perangkat kuantum, qubit tidak bekerja dalam kondisi ideal. Mereka berhadapan dengan kopling fonon, noise muatan, dan fluktuasi fluks magnetik yang bisa menumpuk selama proses komputasi.
Akumulasi gangguan itu berpengaruh langsung pada fidelitas keluaran. Pada rangkaian yang panjang atau sensitif, kesalahan kecil dapat menumpuk dan membuat hasil akhir makin jauh dari target yang diharapkan.
Selama ini, pendekatan yang paling dikenal untuk menahan masalah tersebut adalah koreksi kesalahan kuantum konvensional seperti surface code. Skema ini menyandikan satu logical qubit ke banyak physical qubit, tetapi biaya sumber dayanya besar dan belum sepenuhnya didukung perangkat keras yang ada saat ini.
Randomisasi yang sengaja dipakai untuk mengubah error
Di titik inilah randomized compiling menjadi relevan. Teknik ini menyisipkan operasi Pauli acak di antara gerbang kuantum agar kesalahan koheren berubah menjadi kesalahan inkohoren yang bersifat stokastik.
Perubahan sifat error ini penting karena kesalahan koheren cenderung menumpuk secara fase dan menimbulkan bias sistematis pada distribusi keluaran. Setelah ditransformasi, gangguan itu lebih mirip channel depolarizing yang lebih ringan dan lebih mudah dianalisis.
Dasar pendekatan ini berasal dari twirling, yaitu penerapan unitaries acak di sekitar channel noise untuk menyimetriskan pengaruhnya. Ketika error gerbang punya komponen koheren, komponen tersebut bisa terakumulasi antarlangkah operasi dan memperburuk hasil komputasi.
Lebih menjanjikan saat noise terikat pada gerbang
Randomized compiling paling menarik saat noise yang dominan memang terkait dengan operasi gerbang. Dalam kondisi seperti itu, rangkaian kuantum yang sudah di-compile dengan gerbang acak dapat menghasilkan fidelitas keluaran yang lebih tinggi dibanding versi deterministiknya.
Kondisi ini dianggap relevan untuk platform qubit superkonduktor. Pada platform tersebut, error pada gerbang dua-qubit sering menjadi faktor utama yang menurunkan fidelitas.
Namun, teknik ini tidak memberikan hasil optimal di semua situasi. Pada sistem yang didominasi drift frekuensi rendah atau 1/f noise, manfaat randomized compiling menurun karena error-nya tidak cukup terikat pada gerbang untuk disimetriskan dengan cara yang sama.
Masih ada batas yang perlu diatasi
Pendekatan ini juga tidak menyelesaikan semua jenis masalah. Leakage tetap menjadi persoalan tersendiri karena qubit bisa keluar dari subruang komputasi, dan Pauli twirling tidak cukup untuk menangani gangguan seperti itu.
Selain itu, ada biaya tambahan dari sisi kompilasi. Penyisipan gerbang Pauli acak menambah kedalaman rangkaian, dan pada perangkat keras dengan coherence time terbatas, kedalaman ekstra ini bisa menggerus sebagian keuntungan fidelitas yang diharapkan.
Karena itu, manfaat bersih randomized compiling sangat bergantung pada rasio error koheren dan inkohoren di tiap perangkat. Rasio tersebut dapat berbeda cukup besar antarplatform, bahkan antarqubit di dalam satu chip yang sama.
Peluang praktis untuk sistem NISQ
Bagi algoritma variational dan tugas quantum simulation pada perangkat NISQ, randomized compiling menawarkan jalur praktis untuk meningkatkan keandalan estimasi expectation value. Teknik ini tidak menuntut overhead qubit sebesar koreksi kesalahan penuh.
Dari sisi implementasi, pendekatan ini juga cukup ramah untuk perangkat yang sudah ada. Prosesnya hanya memerlukan preprocessing klasik untuk menghasilkan urutan gerbang acak, sehingga relatif mudah diadopsi oleh peneliti yang bekerja dengan sistem kuantum saat ini.
Arah risetnya menunjukkan perubahan penting dalam cara sistem kuantum dikelola. Lapisan kontrol klasik kini tidak lagi dipandang sebagai saluran instruksi pasif, melainkan bagian aktif dalam manajemen error, dan penelitian ini pertama kali dipublikasikan di jurnal Physical Review Letters.
