Komputasi kuantum tengah membuka jalan baru dalam dunia sains dan memberikan harapan untuk memecahkan berbagai masalah kompleks yang sulit diatasi dengan komputer klasik. Salah satu tantangan besar yang dihadapi oleh para ilmuwan adalah simulasi struktur elektronik molekul. Menyimulasikan bagaimana atom dan elektron berinteraksi dalam molekul adalah hal yang sangat penting untuk pengembangan material baru, obat-obatan, dan berbagai inovasi teknologi lainnya. Namun, komputasi kuantum masih dibatasi oleh jumlah qubit yang terbatas dan ketahanan terhadap gangguan, terutama di perangkat kuantum yang ada saat ini yang berada pada tahap noisy intermediate-scale quantum (NISQ).
Salah satu solusi yang banyak digunakan dalam komputasi kuantum adalah algoritma Variational Quantum Eigensolver (VQE). VQE menggabungkan kekuatan komputasi kuantum dan klasik untuk mencari energi dasar dari suatu molekul. Namun, meskipun VQE efektif untuk molekul kecil, metode ini menjadi kurang efisien ketika diterapkan pada sistem yang lebih besar dan lebih kompleks karena membutuhkan banyak qubit. Untuk itu, para ilmuwan terus berusaha menemukan cara agar simulasi molekul kuantum bisa dilakukan dengan lebih efisien, bahkan dengan perangkat yang memiliki keterbatasan qubit.
Kolaborasi riset antara Dr. Angga Dito Fauzi dari Departemen Fisika 51¶¯Âþ (UNAIR) dengan Dr. Yanoar Pribadi Sarwono dari Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) berhasil membuat terobosan baru dalam optimalisasi algoritma VQE untuk komputasi kuantum. Bersama mahasiswa Departemen Fisika UNAIR bimbingan Dr. Angga, Yoga Agung Darmawan, dan ilmuwan City University of Hong Kong, Prof. Rui-Qin Zhang, mereka mengembangkan pendekatan baru yang dikenal dengan Randomized Orbital Variational Quantum Eigensolver (RO-VQE). Metode ini bertujuan untuk mengurangi jumlah qubit yang diperlukan dalam simulasi molekul sambil tetap menjaga tingkat akurasi yang tinggi. Berbeda dengan pendekatan konvensional yang memilih orbital (fungsi gelombang elektron) berdasarkan perhitungan energi terendah, RO-VQE mengoptimalkan pemilihan orbital secara lebih fleksibel dan efisien tanpa harus melalui proses perhitungan yang kompleks. Dengan kata lain, pendekatan ini mencari cara yang lebih sederhana dan lebih cepat untuk memilih orbital yang relevan dalam simulasi molekul.
Dalam riset ini, para peneliti menguji RO-VQE pada molekul hidrogen dua atom (Hâ‚‚) dan hidrogen empat atom (Hâ‚„) dengan berbagai konfigurasi basis set (kumpulan fungsi gelombang) dan jumlah qubit yang berbeda. Hasilnya yang diperoleh cukup menggembirakan karena RO-VQE mampu menghasilkan estimasi energi yang sangat mendekati hasil dari metode konvensional, bahkan dalam beberapa kasus, hasil yang diperoleh lebih baik. Salah satu temuan menarik adalah bahwa ketika jumlah qubit meningkat dari 6 menjadi 8, perbedaan antara RO-VQE dan metode sebelumnya semakin kecil. Hal ini menunjukkan bahwa dengan lebih banyak qubit, pengaruh pemilihan orbital yang lebih sederhana menjadi semakin signifikan.
Riset ini juga menunjukkan bahwa RO-VQE mampu menggambarkan distribusi elektron dalam molekul dengan lebih baik, terutama dalam sistem yang memiliki korelasi elektron yang kuat. Misalnya, dalam molekul Hâ‚„ dengan geometri persegi, RO-VQE menghasilkan representasi yang lebih delokalisasi dan koheren dari distribusi elektron. Hal ini sangat penting dalam menggambarkan molekul dengan interaksi antar elektron yang kompleks. Sebaliknya, pada sistem yang lebih sederhana, seperti molekul Hâ‚„ dengan geometri linier, perbedaan hasil antara RO-VQE dan metode tradisional hampir tidak terlihat. Hal ini menunjukkan bahwa RO-VQE tetap stabil dan dapat diandalkan meskipun dalam sistem yang lebih mudah dipecahkan.
Uji lebih lanjut pada molekul Hâ‚‚ menggunakan berbagai basis set menunjukkan bahwa meskipun ukuran basis set berubah, RO-VQE tetap dapat bersaing dengan metode berbasis energi lainnya dalam hal akurasi hasil simulasi. Ini membuktikan bahwa RO-VQE dapat diterapkan pada berbagai tingkat kompleksitas molekul dan basis set dan menawarkan fleksibilitas yang sangat dibutuhkan dalam simulasi molekul yang lebih besar dan lebih rumit.
Dari riset ini dapat disimpulkan bahwa RO-VQE membuka jalan baru dalam komputasi kuantum yang lebih efisien dan fleksibel. Pendekatan ini menunjukkan bahwa kita tidak perlu selalu bergantung pada perhitungan yang sangat kompleks untuk memilih orbital terbaik dalam simulasi molekul. Sebaliknya, dengan memilih orbital secara lebih efisien, kita dapat menghemat sumber daya kuantum dan tetap menghasilkan hasil yang akurat. Ini sangat penting untuk perangkat kuantum masa depan yang akan menghadapi tantangan besar dalam menangani masalah yang lebih kompleks dengan jumlah qubit yang terbatas.
Dengan keberhasilan riset ini, kita dapat lebih optimis dalam menghadapi masa depan komputasi kuantum. Jika dikembangkan lebih lanjut, RO-VQE bisa menjadi alat yang sangat berharga dalam penelitian fisika kuantum dan material. Hal ini memungkinkan peneliti untuk melakukan simulasi yang lebih besar dan lebih kompleks tanpa harus menunggu perangkat kuantum yang sempurna. Inovasi ini bukan hanya langkah maju bagi sains kuantum, tetapi juga memberikan fondasi yang lebih kuat bagi penerapan komputasi kuantum dalam kehidupan sehari-hari, seperti dalam pengembangan obat, material canggih, dan teknologi lainnya yang membutuhkan simulasi tingkat lanjut.
