Neglecton: Partikel Baru yang Buka Jalan Menuju Komputasi Kuantum Universal

KOMPUTER kuantum diyakini mampu menyelesaikan persoalan yang tak terjangkau superkomputer paling canggih sekalipun. Namun, tantangan utamanya adalah sifatnya yang rapuh, qubit unit dasar penyimpan dan pemroses informasi kuantum mudah terganggu lingkungan, sehingga rawan menghasilkan kesalahan.

Salah satu solusi yang tengah dikembangkan adalah komputasi kuantum topologis, yang berupaya melindungi informasi kuantum melalui encoding dalam sifat geometris partikel eksotis bernama anyon. Partikel ini diprediksi muncul pada material dua dimensi tertentu dan dipandang lebih stabil terhadap kebisingan maupun gangguan eksternal.

Menurut Aaron Lauda, profesor matematika, fisika, dan astronomi di USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences, kandidat utama yang telah banyak dipelajari adalah Ising anyon. Partikel ini diyakini bisa terbentuk dalam sistem eksotis seperti fractional quantum Hall states dan superkonduktor topologis.

Baca juga : Oxford University Memperkenalkan Komputasi Kuantum Terdistribusi

Meski menjanjikan, Ising anyon sendiri tidak cukup untuk menciptakan komputer kuantum universal. Operasi kuantum yang dihasilkannya berbasis teknik “braiding” atau pembelitan antar anyon hanya menghasilkan gerbang Clifford, yang jumlahnya terbatas dan tidak memenuhi syarat komputasi kuantum serbaguna.

Namun, sebuah studi terbaru yang terbit di Nature Communications menghadirkan terobosan. Tim peneliti dari USC menunjukkan bahwa dengan menambahkan satu jenis anyon lain yang sebelumnya diabaikan dalam teori tradisional, Ising anyon dapat ditingkatkan hingga mampu melakukan komputasi kuantum universal hanya dengan braiding.

Partikel baru itu diberi nama “neglecton”, menandai statusnya yang telah lama dilupakan sekaligus pentingnya peran baru yang terungkap. Anyon ini muncul dari kerangka matematis yang lebih luas dan menjadi potongan hilang yang melengkapi kemampuan sistem berbasis Ising.

Dari Sampah Matematis Menjadi Harta Kuantum

Kunci penemuan ini adalah penggunaan teori medan kuantum topologis non-semisimple (TQFT). Berbeda dari pendekatan semisimple konvensional yang menyederhanakan kerangka dengan menyingkirkan objek berjejak kuantum nol, teori baru ini justru mempertahankannya. Objek yang biasanya dianggap tak berguna itulah yang ternyata menyimpan kandidat anyon neglecton.

“Tapi objek-objek yang dibuang itu ternyata adalah potongan yang hilang,” jelas Lauda. “Ini seperti menemukan harta karun di tempat yang dianggap sampah matematika oleh orang lain.”

Kerangka non-semisimple ini memungkinkan satu neglecton statis untuk dipasangkan dengan Ising anyon yang saling digabungkan di sekitarnya. Hasilnya, komputasi universal tercapai tanpa tambahan mekanisme lain.

Dari matematika murni hingga realitas kuantum

Tantangan muncul karena teori non-semisimple ini melanggar prinsip unitaritas, aturan mendasar dalam mekanika kuantum yang menjamin konservasi probabilitas. Bagi banyak fisikawan, hal ini merupakan kelemahan fatal.

Namun, tim Lauda menemukan cara mengatasinya, dengan merancang sistem encoding kuantum yang mengisolasi bagian-bagian tidak stabil tersebut dari jalannya perhitungan. Analogi yang dipakai, seperti membangun rumah dengan ruangan yang rapuh, alih-alih memperbaikinya, cukup memastikan seluruh aktivitas hanya terjadi di ruangan yang kokoh, sementara area bermasalah tetap tertutup.

Dengan pendekatan ini, informasi kuantum tetap berada di wilayah teori yang normal, sehingga perhitungan berlangsung konsisten meskipun keseluruhan struktur matematisnya tidak lazim. Penemuan ini menjadi contoh bagaimana konsep matematika murni dapat menawarkan solusi nyata untuk problem teknis. Menurut Lauda, penelitian ini bisa membawa dunia lebih dekat ke komputasi kuantum universal dengan partikel yang sebenarnya sudah dikenali.

Jika para eksperimentalis kelak berhasil merealisasikan neglecton statis ini dalam sistem fisik, maka potensi penuh dari platform berbasis Ising anyon bisa tercapai. Selain Lauda, penelitian ini turut melibatkan Filippo Iulianelli (penulis pertama), Sung Kim dari USC, serta Joshua Sussan dari Medgar Evers College of The City University of New York.

“Dengan menerima struktur matematika yang sebelumnya dianggap tidak bernilai, kami justru membuka babak baru dalam ilmu informasi kuantum,” tegas Lauda.

Ke depan, tim akan memperluas kerangka teoritis ini ke parameter lain serta meneliti lebih jauh peran unitaritas dalam TQFT non-semisimple. Dari sisi eksperimen, tantangan berikutnya adalah menemukan platform material yang dapat memunculkan neglecton serta mengembangkan protokol praktis berbasis braiding untuk aplikasi nyata. (sciencedaily/Z-2)