Di tengah perangkat kuantum yang masih harus bekerja dalam kondisi serba terbatas, randomisasi terkontrol muncul sebagai cara untuk membuat hasil komputasi lebih tahan terhadap gangguan. Alih-alih menambah koreksi berlapis yang mahal, pendekatan ini memakai acak yang disengaja untuk mengubah cara kesalahan muncul dan menyebar.
Gagasan ini menjadi menarik karena masalah di komputasi kuantum bukan sekadar adanya error, melainkan sifat error yang kerap koheren dan sulit dikendalikan. Saat kesalahan semacam itu menumpuk, hasil keluaran bisa bergeser secara sistematis dan menurunkan fidelitas rangkaian.
Gangguan kecil yang cepat membesar
Qubit sangat sensitif terhadap lingkungannya. Getaran termal, fluktuasi elektromagnetik, kopling fonon, noise muatan, hingga fluktuasi fluks magnetik dapat mengganggu keadaan superposisi yang rapuh.
Gangguan tersebut memicu decoherence, yakni runtuhnya keadaan kuantum hanya karena interaksi kecil dengan sekitar. Dalam proses komputasi yang panjang, efek itu bisa terakumulasi dan membuat keluaran semakin jauh dari yang diharapkan.
Selama ini, salah satu pendekatan yang paling dikenal adalah koreksi kesalahan kuantum konvensional seperti surface code. Namun, skema itu membutuhkan banyak physical qubit untuk menyandikan satu logical qubit, sementara biaya sumber dayanya masih terlalu besar bagi perangkat keras yang ada saat ini.
Cara randomisasi mengubah karakter kesalahan
Di sinilah randomized compiling mendapat perhatian. Teknik ini menyisipkan operasi Pauli acak di antara gerbang kuantum untuk mengubah kesalahan koheren menjadi kesalahan inkohoren yang lebih stokastik.
Perubahan ini penting karena kesalahan koheren cenderung menumpuk secara fase dan menimbulkan bias sistematis pada distribusi keluaran. Setelah disimetriskan lewat twirling, kesalahan tersebut menjadi lebih mirip channel depolarizing yang lebih mudah dianalisis dan ditangani secara praktis.
Secara prinsip, twirling bekerja dengan menerapkan unitaries acak di sekitar channel noise agar pengaruhnya menjadi lebih seragam. Akibatnya, struktur error yang semula teratur kehilangan koherensinya dan berubah menjadi bentuk yang lebih acak.
Lebih cocok saat noise mengikuti gerbang
Manfaat pendekatan ini paling terasa ketika noise yang dominan terkait langsung dengan gerbang. Pada kondisi seperti itu, rangkaian yang sudah di-compile dengan gerbang acak dapat menghasilkan fidelitas keluaran yang lebih tinggi dibanding versi deterministiknya.
Karena itu, randomized compiling dianggap relevan untuk platform qubit superkonduktor. Pada platform tersebut, error pada gerbang dua-qubit sering menjadi salah satu penyumbang utama penurunan fidelitas.
Namun, pendekatan ini tidak bekerja optimal di semua situasi. Jika sistem lebih banyak dipengaruhi drift frekuensi rendah atau 1/f noise, manfaatnya cenderung menurun karena error tidak cukup terikat pada gerbang untuk disimetriskan dengan cara yang sama.
Masalah leakage juga belum tertangani oleh teknik ini. Jika qubit keluar dari subruang komputasi, Pauli twirling tidak cukup untuk mengatasi gangguan tersebut sehingga strategi mitigasi lain tetap dibutuhkan.
Peluang praktis untuk perangkat NISQ
Nilai bersih randomized compiling sangat bergantung pada perbandingan antara error koheren dan inkohoren di masing-masing perangkat. Rasio itu bisa berbeda antarplatform, bahkan antarqubit dalam satu chip yang sama.
Untuk algoritma variational dan tugas quantum simulation di perangkat NISQ, pendekatan ini menawarkan jalan yang relatif praktis untuk meningkatkan keandalan estimasi expectation value. Teknik ini tidak memerlukan overhead qubit sebesar koreksi kesalahan penuh, dan tetap kompatibel dengan perangkat yang sudah ada.
Dari sisi implementasi, metode ini hanya membutuhkan preprocessing klasik untuk menghasilkan urutan gerbang acak. Itulah sebabnya randomized compiling dinilai lebih mudah diadopsi oleh peneliti yang sudah bekerja dengan sistem kuantum saat ini.
Arah risetnya juga menunjukkan perubahan cara pandang terhadap kontrol klasik. Lapisan kontrol klasik kini semakin diperlakukan sebagai bagian aktif dalam manajemen error, bukan sekadar saluran instruksi pasif, dan penelitian ini pertama kali dipublikasikan di jurnal Physical Review Letters.
