Apa itu Komputasi Kuantum &Bagaimana Cara Kerjanya?
Raksasa teknologi seperti Google, IBM, Amazon, dan Microsoft menuangkan sumber daya ke dalam komputasi kuantum. Tujuan komputasi kuantum adalah untuk menciptakan komputer generasi berikutnya dan mengatasi batasan komputasi klasik.
Terlepas dari kemajuannya, masih ada area yang belum diketahui di bidang yang sedang berkembang ini.
Artikel ini adalah pengantar konsep dasar komputasi kuantum. Anda akan mempelajari apa itu komputasi kuantum dan cara kerjanya , serta apa yang membedakan perangkat kuantum dari mesin standar.
Apa itu Komputasi Kuantum? Ditentukan
Komputasi kuantum adalah generasi baru komputer berdasarkan mekanika kuantum, cabang fisika yang mempelajari partikel atom dan subatom. Superkomputer ini melakukan komputasi dengan kecepatan dan level yang tidak dapat ditangani oleh komputer biasa.
Ini adalah perbedaan utama antara perangkat kuantum dan desktop biasa:
- Arsitektur yang berbeda: Komputer kuantum memiliki arsitektur yang berbeda dari perangkat konvensional. Misalnya, alih-alih memori atau prosesor berbasis silikon tradisional, platform teknologi yang berbeda, seperti sirkuit konduktor super dan ion atom yang terperangkap digunakan.
- Kasus penggunaan intensif komputasi: Pengguna biasa mungkin tidak banyak menggunakan komputer kuantum. Fokus komputasi yang berat dan kompleksitas mesin ini membuatnya cocok untuk pengaturan perusahaan dan ilmiah di masa mendatang.
Tidak seperti komputer standar, rekan kuantumnya dapat melakukan beberapa operasi secara bersamaan. Mesin ini juga menyimpan lebih banyak status per unit data dan beroperasi pada algoritme yang lebih efisien.
Kekuatan pemrosesan yang luar biasa membuat komputer kuantum mampu menyelesaikan tugas-tugas kompleks dan menelusuri data yang tidak disortir.
Untuk Apa Komputasi Kuantum? Kasus Penggunaan Industri
Adopsi komputer yang lebih kuat menguntungkan setiap industri. Namun, beberapa area sudah menonjol sebagai peluang bagus bagi komputer kuantum untuk membuat tanda:
- Perawatan Kesehatan: Komputer kuantum membantu mengembangkan obat baru dengan lebih cepat. Penelitian DNA juga sangat diuntungkan dengan menggunakan komputasi kuantum.
- Keamanan siber: Pemrograman kuantum dapat memajukan enkripsi data. Sistem Quantum Key Distribution (QKD) yang baru, misalnya, menggunakan sinyal cahaya untuk mendeteksi serangan dunia maya atau penyusup jaringan.
- Keuangan: Perusahaan dapat mengoptimalkan portofolio investasi mereka dengan komputer kuantum. Peningkatan dalam deteksi penipuan dan sistem simulasi juga mungkin terjadi.
- Transportasi: Komputer kuantum dapat menghasilkan kemajuan dalam sistem perencanaan lalu lintas dan pengoptimalan rute.
Apa itu Qubit?
Kunci di balik kekuatan komputer kuantum adalah kemampuannya untuk membuat dan memanipulasi bit kuantum, atau qubit.
Berikut adalah status qubit q0 :
q0 = a|0> + b|1>, where a2 + b2 = 1
Kemungkinan q0 menjadi 0 saat diukur adalah
2
. Probabilitasnya menjadi 1 saat diukur adalah b
2
. Karena sifatnya yang probabilistik, sebuah qubit dapat bernilai 0 dan 1 secara bersamaan.
Untuk qubit q0 di mana a =1 dan b =0, q0 setara dengan bit klasik 0. Ada peluang 100% untuk mendapatkan nilai 0 saat diukur. Jika a =0 dan b =1, maka q0 setara dengan bit klasik 1. Jadi, bit biner klasik 0 dan 1 adalah subset dari qubit.
Sekarang, mari kita lihat sirkuit kosong di IBM Circuit Composer dengan satu qubit q0 (Gambar 1). Grafik “Probabilitas pengukuran” menunjukkan bahwa q0 memiliki 100% yang diukur sebagai 0. Grafik “Statevector” menunjukkan nilai a dan b, yang masing-masing sesuai dengan kolom 0 dan 1 “status basis komputasi”.
Dalam kasus Gambar 1, a sama dengan 1 dan b sama dengan 0. Jadi, q0 memiliki probabilitas 1
2
=1 untuk diukur sebagai 0.
Sekelompok qubit yang terhubung menyediakan lebih banyak kekuatan pemrosesan daripada jumlah bit biner yang sama. Perbedaan dalam pemrosesan disebabkan oleh dua sifat kuantum:superposisi dan keterikatan .
Superposisi dalam Komputasi Kuantum
Ketika 0
2
dan b
2
.
Gerbang Hadamard adalah gerbang dasar dalam komputasi kuantum. Gerbang Hadamard memindahkan qubit dari keadaan non-superposisi 0 atau 1 ke keadaan superposisi. Saat dalam keadaan superposisi, ada kemungkinan 0,5 untuk diukur sebagai 0. Ada juga kemungkinan 0,5 qubit berakhir sebagai 1.
Mari kita lihat efek penambahan Gerbang Hadamard (ditunjukkan sebagai H merah) pada q0 di mana q0 saat ini dalam keadaan non-superposisi 0 (Gambar 2). Setelah melewati gerbang Hadamard, grafik “Probabilitas Pengukuran” menunjukkan bahwa ada peluang 50% untuk mendapatkan 0 atau 1 ketika q0 diukur.
Grafik “Statevector” menunjukkan nilai a dan b, yang keduanya merupakan akar kuadrat dari 0,5 =0,707. Probabilitas qubit yang akan diukur ke 0 dan 1 adalah 0,707
2
=0,5, jadi q0 sekarang dalam keadaan superposisi.
Apa Itu Pengukuran?
Ketika kita mengukur qubit dalam keadaan superposisi, qubit melompat ke keadaan non-superposisi. Pengukuran mengubah qubit dan memaksanya keluar dari superposisi ke status 0 atau 1.
Jika qubit berada dalam keadaan non-superposisi 0 atau 1, mengukurnya tidak akan mengubah apa pun. Dalam hal ini, qubit sudah dalam keadaan 100% menjadi 0 atau 1 saat diukur.
Mari kita tambahkan operasi pengukuran ke dalam rangkaian (Gambar 3). Kami mengukur q0 setelah gerbang Hadamard dan mengeluarkan nilai pengukuran ke bit 0 (bit klasik) di c1:
Untuk melihat hasil q0 pengukuran setelah Gerbang Hadamard, kami mengirim sirkuit untuk berjalan di komputer kuantum sebenarnya yang disebut “ibmq_armonk .” Secara default, ada 1024 run dari sirkuit kuantum. Hasilnya (Gambar 4) menunjukkan bahwa sekitar 47,4% dari waktu, q0 pengukuran adalah 0. 52,6% lainnya, diukur sebagai 1:
Putaran kedua (Gambar 5) menghasilkan distribusi 0 dan 1 yang berbeda, tetapi masih mendekati pembagian 50/50 yang diharapkan:
Keterikatan dalam Komputasi Kuantum
Jika dua qubit berada dalam keadaan terjerat, pengukuran satu qubit secara instan "menghancurkan" nilai yang lain. Efek yang sama terjadi bahkan jika dua qubit yang terjerat berjauhan.
Mari kita lihat sebuah contoh. Operasi kuantum yang menempatkan dua qubit yang tidak terjerat ke dalam keadaan terjerat adalah gerbang CNOT. Untuk mendemonstrasikan ini, pertama-tama kita tambahkan qubit lain q1 , yang diinisialisasi ke 0 secara default. Sebelum gerbang CNOT, kedua qubit tidak terjerat, jadi q0 memiliki peluang 0,5 menjadi 0 atau 1 karena gerbang Hadamard, sedangkan q1 akan menjadi 0. Grafik “Probabilitas Pengukuran” (Gambar 6) menunjukkan bahwa probabilitas (q1 , q0 ) menjadi (0, 0) atau (0, 1) adalah 50%:
Kemudian kita tambahkan gerbang CNOT (ditunjukkan sebagai titik biru dan tanda plus) yang mengambil output dari q0 dari gerbang Hadamard dan q1 sebagai masukan. Grafik “Probabilitas Pengukuran” sekarang menunjukkan bahwa ada peluang 50% (q1 , q0 ) menjadi (0, 0) dan 50% menjadi (1, 1) saat diukur (Gambar 7):
Tidak ada peluang untuk mendapatkan (0, 1) atau (1, 0). Setelah kita menentukan nilai satu qubit, kita tahu nilai yang lain karena keduanya harus sama. Dalam keadaan seperti itu, q0 dan q1 terjerat.
Mari kita jalankan ini di komputer kuantum yang sebenarnya dan lihat apa yang terjadi (Gambar 8):
Kami mendekati distribusi 50/50 antara status '00' dan '11'. Kami juga melihat kejadian tak terduga dari '01' dan '10' karena tingkat kesalahan komputer kuantum yang tinggi. Sementara tingkat kesalahan untuk komputer klasik hampir tidak ada, tingkat kesalahan yang tinggi adalah tantangan utama komputasi kuantum.
Sirkuit Bel Hanya Titik Awal
Sirkuit yang ditunjukkan di bagian 'Entanglement' disebut Sirkuit Bell. Meskipun bersifat dasar, rangkaian tersebut menunjukkan beberapa konsep dan sifat dasar komputasi kuantum, yaitu qubit, superposisi, belitan, dan pengukuran. Bell Circuit sering disebut sebagai program Hello World untuk komputasi kuantum.
Saat ini, Anda mungkin memiliki banyak pertanyaan, seperti:
- Bagaimana kita merepresentasikan status superposisi qubit secara fisik?
- Bagaimana cara mengukur qubit secara fisik, dan mengapa hal itu memaksa qubit menjadi 0 atau 1?
- Apa sebenarnya |0> dan |1> dalam rumusan qubit?
- Mengapa melakukan
2
dan b
2
sesuai dengan peluang qubit diukur sebagai 0 dan 1?
- Apa representasi matematis dari gerbang Hadamard dan CNOT? Mengapa gerbang menempatkan qubit ke dalam status superposisi dan keterjeratan?
- Bisakah kita menjelaskan fenomena keterjeratan?
Tidak ada jalan pintas untuk mempelajari komputasi kuantum. Bidang ini menyentuh topik kompleks yang mencakup fisika, matematika, dan ilmu komputer.
Ada banyak buku bagus dan tutorial video yang memperkenalkan teknologi ini. Sumber daya ini biasanya mencakup konsep prasyarat seperti aljabar linier, mekanika kuantum, dan komputasi biner.
Selain buku dan tutorial, Anda juga bisa belajar banyak dari contoh kode. Solusi untuk pengoptimalan portofolio keuangan dan perutean kendaraan, misalnya, adalah titik awal yang bagus untuk mempelajari komputasi kuantum.
Langkah Selanjutnya dalam Evolusi Komputer
Komputer kuantum memiliki potensi untuk melampaui superkomputer paling canggih sekalipun. Komputasi kuantum dapat menghasilkan terobosan dalam sains, kedokteran, pembelajaran mesin, konstruksi, transportasi, keuangan, dan layanan darurat.
Janjinya jelas, tetapi teknologinya masih jauh dari dapat diterapkan pada skenario kehidupan nyata. Namun, kemajuan baru muncul setiap hari, jadi diperkirakan komputasi kuantum akan menyebabkan gangguan signifikan di tahun-tahun mendatang.
