Apa itu Supremasi Kuantum? Dan Mengapa Itu Penting?

Konsep sistem kuantum pertama kali diusulkan oleh ahli matematika Rusia, Yuri Manin, pada tahun 1980.  Namun, Richard Feynman-lah yang menyusun kemungkinan komputer kuantum pada awal 1980-an.

Feynmann mengusulkan bahwa komputer kuantum akan efektif dalam memecahkan masalah kimia dan fisika. Komputer saat ini menggunakan logika biner untuk melakukan tugas, tetapi jika kita menggunakan aturan mekanika kuantum, banyak tugas komputasi yang kompleks akan menjadi layak.

Pada tahun 2012, seorang fisikawan teoretis Amerika, John Preskill, menciptakan istilah "supremasi kuantum" untuk menggambarkan sistem yang jauh lebih maju daripada komputer klasik. Ini menandai era teknologi kuantum skala menengah yang bising.

Dalam artikel ikhtisar ini, kami telah menjelaskan dan perbedaan apa yang akan dibuat oleh "supremasi kuantum", apa yang telah dicapai oleh perusahaan teknologi sejauh ini, mengapa ini menjadi masalah besar. Mari kita mulai dengan dasar-dasarnya.

Apa Sebenarnya Supremasi Kuantum?

Quantum Supremacy adalah tujuan membangun sistem komputasi kuantum yang dapat memecahkan masalah yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer klasik dalam waktu yang wajar.

Ini melibatkan tugas rekayasa untuk mengembangkan mesin kuantum yang kuat serta tugas teori kompleksitas komputasi untuk mengklasifikasikan masalah komputasi yang dapat diselesaikan oleh komputer kuantum tersebut.

Supremasi kuantum adalah langkah penting menuju komputasi yang lebih kuat dan berguna. Beberapa proposal telah dibuat untuk menunjukkan supremasi kuantum. Yang paling menonjol adalah:

• Mengambil sampel keluaran rangkaian kuantum acak
• Masalah loop cluster frustrasi yang dirancang oleh D-Wave
• Proposal pengambilan sampel Boson diperkenalkan oleh Aaronson dan Arkhipov

Bagaimana kita memastikan bahwa supremasi kuantum telah tercapai?

Memverifikasi supremasi kuantum adalah salah satu tugas tersulit. Ini tidak seperti ledakan nuklir atau peluncuran roket, di mana Anda hanya menonton dan langsung tahu apakah itu berhasil.

Anda harus mendemonstrasikan dua hal secara akurat untuk memverifikasi supremasi kuantum:

1. Perangkat kuantum melakukan perhitungan dengan cepat.
2. Tidak ada komputer klasik yang dapat melakukan penghitungan yang sama secara efisien.

Bagian kedua cukup rumit. Ternyata komputer klasik dapat melakukan jenis masalah tertentu dengan sangat efisien (lebih baik dari harapan para ilmuwan). Sampai seseorang telah membuktikan bahwa komputer klasik tidak mungkin melakukan tugas tertentu secara efektif, selalu ada kemungkinan bahwa ada algoritma klasik yang lebih efisien dan lebih baik. Membuktikan bahwa tidak ada algoritme klasik seperti itu di luar sana bisa jadi kontroversial, dan bisa memakan banyak waktu.

Baca: 12 Superkomputer Tercepat Di Dunia

Pertempuran Membuat Komputer Quantum

Ada perangkat kuantum yang berfungsi selama beberapa tahun, tetapi mereka mengungguli komputer klasik hanya dalam kondisi tertentu. Sebagian besar tugas yang dilakukan oleh mesin kuantum ini bahkan tidak berguna dalam kehidupan sehari-hari.

Pada tahun 2016, Google mengembangkan simulasi kuantum yang dapat diskalakan sepenuhnya dari molekul hidrogen, menggunakan chip kuantum 9-qubit. Pada tahun 2017, Intel memproduksi chip uji superkonduktor 17-qubit untuk komputasi kuantum, dan IBM meningkatkan standar dengan chip 50-qubit yang dapat mempertahankan status kuantumnya selama 90 mikrodetik.

Chip uji superkonduktor 17-qubit yang dikembangkan oleh Intel

Pada tahun 2018, Google mengungkapkan prosesor 72-qubit bernama Bristlecone, dan pada tahun 2019, IBM meluncurkan komputer kuantum berbasis sirkuit komersial pertama di dunia, IBM Q System One.

D-Wave Systems, perusahaan komputasi kuantum Kanada yang didanai dengan baik, tetap menjadi pengecualian. Pada tahun 2015, komputer kuantum 2X dengan lebih dari 1000-qubit dipasang di laboratorium kecerdasan buatan kuantum NASA. Perusahaan memiliki sistem pengiriman berikutnya dengan 2048-qubit. Perangkat mereka mengandalkan teknik alternatif yang disebut anil kuantum untuk memecahkan masalah yang sangat spesifik.

Baca: 5 Prosesor Kuantum yang Menampilkan Paradigma Komputasi Baru

Pengumuman Besar Google 

Tiba-tiba, pada akhir 2019, peneliti Google mengumumkan bahwa mereka telah mencapai supremasi kuantum. Mereka mengembangkan prosesor 54-qubit bernama Sycamore yang melakukan perhitungan target (penghitungan pengambilan sampel acak) dalam 200 detik.

Menurut tim peneliti, superkomputer klasik akan membutuhkan 10.000 tahun untuk melakukan perhitungan yang sama. Peningkatan kecepatan yang substansial ini (dibandingkan dengan algoritme klasik) merupakan realisasi eksperimental dari supremasi kuantum untuk tugas khusus ini.

Apa yang Mereka Lakukan?

Untuk menunjukkan supremasi kuantum, Google memilih untuk memecahkan masalah tertentu yang disebut "sampling sirkuit acak." Contoh sederhana dari masalah ini adalah program untuk mensimulasikan pelemparan dadu yang adil.

Program akan berjalan secara akurat jika mengambil sampel dengan tepat dari semua kemungkinan hasil. Ini berarti program harus menghasilkan setiap angka pada dadu 1/6 dari waktu yang dijalankan berulang kali.

Dalam skenario nyata, alih-alih menempatkan dadu, komputer perlu mengambil sampel dengan benar dari semua kemungkinan keluaran dari rangkaian kuantum acak. Urutan tindakan ini dilakukan pada sekelompok qubit. Saat qubit melewati sebuah sirkuit, statusnya menjadi terjerat (juga dikenal sebagai superposisi kuantum).

Misalnya, ketika sebuah sirkuit bekerja pada 54 qubit, itu menyebabkan 54 qubit menjadi superposisi 2 ⁵⁴ kemungkinan keadaan di akhir rangkaian. Ini berarti himpunan 2 ⁵⁴ kemungkinan runtuh menjadi satu string 54 bit. Ini seperti melempar dadu, tetapi bukannya 6 kemungkinan hasil, Anda mendapatkan 2 ⁵⁴ hasil, dan tidak semua memiliki kemungkinan yang sama untuk terjadi.

Rangkaian sampel dari rangkaian acak ini (mengikuti distribusi yang tepat), dapat dihasilkan secara efisien pada komputer kuantum. Namun, tidak ada algoritme klasik untuk memproduksi sampel ini pada superkomputer yang baru dimulai. Oleh karena itu, dengan bertambahnya jumlah sampel, superkomputer digital dengan cepat kewalahan dengan perhitungan.

Dalam percobaan ini, peneliti Google menjalankan sirkuit acak yang disederhanakan dari 12 hingga 53 qubit, menjaga jumlah siklus gerbang (gerbang logika kuantum) konstan. Mereka kemudian menggunakan simulasi klasik untuk memeriksa kinerja komputer kuantum dan membandingkannya dengan model teoretis.

Setelah mereka memastikan bahwa sistem beroperasi dengan benar, mereka menjalankan sirkuit keras acak dengan 53 qubit dan meningkatkan siklus gerbang, hingga mereka mencapai titik di mana simulasi klasik menjadi tidak dapat dijalankan.

Proses untuk mendemonstrasikan supremasi kuantum | Kredit:Google 

Eksperimen dilakukan pada chip 54-qubit yang sepenuhnya dapat diprogram, Sycamore. Ini berisi kisi 2D di mana setiap qubit terhubung ke 4 qubit lainnya, memungkinkan konektivitas yang cukup untuk status qubit (sehingga mereka langsung berinteraksi di seluruh prosesor) dan membuatnya tidak layak untuk melakukan perhitungan yang sama pada komputer klasik.

Untuk mencapai tingkat kinerja ini, mereka menggunakan jenis kenop kontrol baru yang dapat mematikan interaksi antara qubit terdekat, secara signifikan mengurangi kesalahan dalam sistem qubit multi-koneksi. Mereka juga mengembangkan kalibrasi kontrol baru untuk menghindari cacat qubit dan mengoptimalkan desain chip untuk menurunkan crosstalk, yang selanjutnya meningkatkan kinerja chip kuantum.

Apakah Google Benar-Benar Mencapai Supremasi Kuantum?

Chip Sycamore Google tetap dingin di dalam kuantum cryostat. Kredit Gambar:Eric Lucero/Google 

Meskipun Google mengklaim telah mencapai supremasi kuantum dan superkomputer klasik akan memakan waktu sekitar 10.000 tahun untuk melakukan tugas yang setara, IBM membantah klaim ini, dengan mengatakan bahwa simulasi ideal dari tugas yang sama dapat dilakukan pada komputer klasik dalam 2,5 hari dengan waktu yang jauh. kesetiaan yang lebih besar.

Eksperimen Google tidak boleh dilihat sebagai bukti bahwa perangkat kuantum 'tertinggi' di atas komputer klasik. Namun, ini dengan sempurna menunjukkan kemajuan dalam komputasi kuantum berbasis superkonduktor, mengungkap kesetiaan gerbang canggih pada sistem 53-qubit.

Judul-judul yang mengandung beberapa variasi 'supremasi kuantum tercapai' menarik dan menarik untuk dibaca, tetapi benar-benar menyesatkan masyarakat umum.

Sesuai definisi supremasi kuantum, tujuannya belum terpenuhi. Dan bahkan jika seseorang mendemonstrasikannya dalam waktu dekat, komputer kuantum tidak akan pernah berkuasa 'tertinggi' atas komputer klasik. Sebaliknya, sistem kuantum akan bekerja bersama superkomputer klasik, karena masing-masing memiliki kekuatan dan manfaat unik.

Kontroversi Penamaan

Beberapa ilmuwan tidak setuju dengan istilah 'supremasi kuantum'. Menurut perspektif mereka, kata 'supremasi' memiliki nada kekerasan, neokolonialisme, dan rasisme melalui hubungannya dengan 'supremasi kulit putih'. keuntungan' harus digunakan sebagai gantinya.

Namun, John Preskill, yang mengemukakan frasa ini, mengklarifikasi bahwa dia ingin menekankan bahwa ini adalah waktu istimewa dalam sejarah ketika teknologi informasi berdasarkan hukum kuantum sedang berkuasa. Dia juga menjelaskan bahwa “supremasi kuantum” paling tepat menangkap poin yang ingin dia sampaikan. Kata-kata lain, seperti 'keuntungan', tidak memiliki arti 'supremasi'.

Aplikasi dan Masa Depan

Kemajuan terbaru dalam komputasi kuantum telah mengilhami generasi baru ilmuwan komputer dan fisikawan untuk mengubah aspek teknologi informasi secara mendasar.

Saat ini, para ilmuwan sedang mengerjakan mesin kuantum yang toleran terhadap kesalahan yang akan mampu memperbaiki kesalahan komputasi secara real-time, memungkinkan penghitungan kuantum bebas kesalahan. Mempertimbangkan keadaan seni komputasi kuantum saat ini, tujuan ini beberapa tahun lagi akan terwujud.

Perusahaan teknologi menginvestasikan ratusan juta dolar untuk mengembangkan perangkat kuantum yang toleran terhadap kesalahan secepat mungkin. Namun, pertanyaan besarnya adalah apakah mesin kuantum perlu toleran terhadap kesalahan sebelum dapat melakukan tugas yang bermanfaat.

Mesin tersebut menjanjikan berbagai aplikasi yang berharga. Misalnya, komputasi kuantum dapat meningkatkan prakiraan cuaca, memperkuat keamanan siber, dan membantu merancang material baru untuk pesawat terbang dan baterai kendaraan yang ringan. Ini dapat secara tepat memetakan molekul individu, yang pada gilirannya berpotensi membuka peluang untuk penelitian farmasi.

Ini juga bisa berdampak kuat pada sektor perbankan. Komputasi kuantum dapat menangani masalah keuangan yang terkait dengan pengoptimalan strategi investasi, yang melibatkan analisis sejumlah besar kombinasi portofolio untuk mengetahui kriteria yang paling sesuai atau untuk mengenali transaksi penipuan.

Baca: 22 Fakta Paling Menarik Tentang Komputer Quantum

Saat ini, sulit untuk memprediksi komputasi kuantum industri mana yang paling berdampak, karena telah diuji pada serangkaian tugas yang sangat terbatas. Kita perlu bersabar selama beberapa tahun (atau bahkan puluhan tahun) sebelum kita dapat menghargai kemegahan penuh era kuantum.