Ekstrimnya kerapuhan ini mungkin membuat komputasi kuantum terdengar sia-sia. Namun pada tahun 1995, matematikawan terapan Peter Shor menemukan cara cerdas untuk menyimpan informasi kuantum. Encodingnya memiliki dua properti kunci. Pertama, itu dapat mentolerir kesalahan yang hanya memengaruhi qubit individu. Kedua, ia dilengkapi dengan prosedur untuk memperbaiki kesalahan saat terjadi, mencegahnya menumpuk dan menghambat komputasi. Penemuan Shor adalah contoh pertama dari kode koreksi kesalahan kuantum, dan dua properti kuncinya adalah fitur definisi dari semua kode tersebut.
Properti pertama berasal dari prinsip sederhana: Informasi rahasia lebih sedikit rentan saat dibagi. Jaringan mata-mata menggunakan strategi serupa. Setiap mata-mata hanya mengetahui sedikit tentang jaringan secara keseluruhan, sehingga organisasi tetap aman bahkan jika salah satu individu tertangkap. Namun, kode koreksi kesalahan kuantum membawa logika ini ke level ekstrim. Dalam jaringan mata-mata kuantum, tidak ada satu mata-mata pun yang akan mengetahui apa pun, namun bersama-sama mereka akan mengetahui banyak hal.
Setiap kode koreksi kesalahan kuantum adalah resep khusus untuk mendistribusikan informasi kuantum di sepanjang banyak qubit dalam keadaan superposisi kolektif. Prosedur ini efektif mengubah kelompok qubit fisik menjadi qubit virtual tunggal. Ulangi proses tersebut berkali-kali dengan array qubit yang besar, dan Anda akan mendapatkan banyak qubit virtual yang dapat Anda gunakan untuk melakukan komputasi.
Qubit fisik yang membentuk setiap qubit virtual mirip dengan mata-mata kuantum yang tidak sadar. Ukur salah satunya dan Anda tidak akan mempelajari apa pun tentang keadaan qubit virtual yang menjadi bagian darinya—sifat yang disebut sebagai indistinguishability lokal. Karena setiap qubit fisik tidak mengkodekan informasi apa pun, kesalahan dalam qubit tunggal tidak akan merusak komputasi. Informasi yang penting seakan ada di mana-mana, namun tidak di tempat tertentu.
“Anda tidak dapat mengaitkannya dengan qubit individu mana pun,” kata Cubitt.
Semua kode koreksi kesalahan kuantum dapat menyerap setidaknya satu kesalahan tanpa efek apa pun pada informasi yang dienkripsi, namun akhirnya semuanya akan jatuh ketika kesalahan menumpuk. Di sinilah properti kedua kode koreksi kesalahan kuantum masuk—koreksi kesalahan yang sebenarnya. Ini erat kaitannya dengan indistinguishability lokal: Karena kesalahan dalam qubit individu tidak menghancurkan informasi apa pun, selalu memungkinkan untuk membalikkan kesalahan apa pun menggunakan prosedur yang telah ditetapkan khusus untuk setiap kode.
Diambil untuk Bersenang-senang
Zhi Li, seorang postdoc di Institut Perimeter untuk Fisika Teoritis di Waterloo, Kanada, sangat paham tentang teori koreksi kesalahan kuantum. Namun, subjek tersebut jauh dari pikirannya ketika dia memulai percakapan dengan rekan kerjanya Latham Boyle. Itu musim gugur 2022, dan kedua fisikawan itu sedang dalam perjalanan dari Waterloo ke Toronto. Boyle, seorang ahli dalam tilings aperiodic yang tinggal di Toronto saat itu dan sekarang berada di Universitas Edinburgh, adalah wajah yang akrab dalam perjalanan shuttle tersebut, yang sering terjebak dalam kemacetan berat.
“Biasanya mereka bisa sangat menyedihkan,” kata Boyle. “Ini seperti yang terhebat sepanjang masa.”
Sebelum malam yang menentukan itu, Li dan Boyle mengetahui pekerjaan masing-masing, tetapi area penelitian mereka tidak langsung tumpang tindih, dan mereka tidak pernah memiliki percakapan satu lawan satu. Namun, seperti banyak peneliti dalam bidang yang tidak terkait, Li tertarik pada tilings aperiodic. “Sangat sulit untuk tidak tertarik,” katanya.