12 Aplikasi Komputasi Kuantum Terbaik | Edisi 2021

Para ilmuwan di seluruh dunia mendorong komputer kuantum ke depan, mencoba untuk sampai pada teknologi komputasi kuantum yang paling kuat. Raksasa teknologi, termasuk Google dan IBM, berlomba untuk mendapatkan supremasi kuantum.

Tapi kenapa? Mesin kuantum dapat memecahkan masalah tertentu satu miliar kali lebih cepat daripada komputer klasik. Karena permintaan akan prosesor yang kuat terus meningkat, dan tugas menjadi lebih besar dalam cakupan dan kompleksitas, kami akan membutuhkan arsitektur komputasi yang lebih efektif untuk mendukung solusi.

Kemajuan teknologi komputasi seperti itu akan menciptakan jutaan peluang, di hampir setiap aspek kehidupan modern. Menurut GlobeNewswire, pasar komputasi kuantum global bernilai $507,1 juta pada 2019. Ini diproyeksikan mencapai $65 miliar pada 2030, tumbuh pada CAGR 56%. Amerika Utara dan Eropa diperkirakan menguasai lebih dari 78% pasar komputasi kuantum.

Ini tidak berarti bahwa sistem kuantum akan menggantikan komputer saat ini. Sebaliknya, mereka akan bekerja bersama superkomputer klasik karena masing-masing memiliki kekuatan dan kelebihan yang unik.

Dalam artikel ikhtisar ini, kami telah menyebutkan beberapa aplikasi utama komputasi kuantum dari kemungkinan yang luas. Ini akan memberi Anda gambaran yang lebih baik tentang untuk apa komputer kuantum dirancang.

12. Prakiraan Cuaca

Komputer kuantum dapat digunakan untuk memetakan pola cuaca yang sangat kompleks. Tidak seperti sistem cuaca saat ini, sistem ini dapat memberikan prakiraan untuk wilayah yang lebih kecil dan spesifik, membantu petani untuk lebih mempersiapkan diri menghadapi perubahan cuaca, dan membantu maskapai penerbangan meminimalkan gangguan.

IBM banyak berinvestasi dalam sistem prakiraan cuaca. Ia telah bekerja sama dengan The Weather Company, National Center for Atmospheric Research, dan University Corporation For Atmospheric Research di Amerika Serikat, untuk membangun model unggul yang dapat memperkirakan badai petir di tingkat lokal.

Pada tahun 2019, IBM, bekerja sama dengan The Weather Company, meluncurkan Global High-Resolution Atmospheric Forecasting System (GRAF) yang menggunakan superkomputer IBM untuk memproses data dari jutaan sensor di seluruh dunia.

Ketika komputasi kuantum menjadi layak, sistem seperti GRAF akan mampu menganalisis miliaran data setiap jam dan memperkirakan peristiwa mikro-metrologi seperti pembentukan awan individu atau pusaran angin.

11. Keamanan siber

Semua itu hanya perkiraan kasar  

Komputer kuantum akan dapat memecahkan banyak masalah yang hampir tidak mungkin dipecahkan oleh mesin saat ini. Ini termasuk memecahkan algoritme enkripsi yang melindungi infrastruktur internet dan data sensitif.

Enkripsi RSA berdasarkan angka 2048-bit, misalnya, digunakan secara luas untuk transmisi data yang aman. Diperkirakan bahwa komputer kuantum dengan 20 juta qubit dapat memecahkan enkripsi tersebut dalam waktu 8 jam.

Tentu saja, kekuatan komputasi kuantum juga dapat dimanfaatkan untuk mengembangkan sistem enkripsi yang jauh lebih aman. Banyak perusahaan, termasuk Microsoft dan Google, telah mulai mengerjakan algoritme enkripsi yang aman kuantum. Mereka saat ini dalam tahap teoritis dan pengujian. Tantangan utamanya adalah mengintegrasikan pendekatan baru ini ke dalam infrastruktur yang ada.

Algoritme aman kuantum seharusnya mengenkripsi:

• Transaksi pembiayaan dan perbankan
• Komunikasi militer dan pemerintah
• Jaringan perusahaan
• Rekam medis dan data pribadi di awan

10. Baterai Generasi Selanjutnya

Baterai lithium-ion telah berkembang pesat:satu dekade yang lalu, baterai hanya dapat digunakan untuk smartphone sepanjang hari, sekarang mereka dapat memberi daya pada kendaraan listrik sejauh ratusan kilometer.

Namun, jika kami ingin membuat baterai yang lebih kuat dan murah serta dapat bertahan lebih lama dari baterai yang sudah ada, kami memerlukan beberapa terobosan. Para peneliti di IBM dan Daimler AG (perusahaan induk Mercedes-Benz) sedang menguji seberapa efisien komputer kuantum dapat mensimulasikan perilaku senyawa kimia dalam baterai.

Mereka mampu mensimulasikan momen dipol dari empat molekul yang relevan secara industri (hidrogen sulfida, litium hidrida, litium sulfida, dan litium hidrogen sulfida), menggunakan komputer kuantum 21-qubit.

Saat kami meningkatkan atau meningkatkan status qubit, kami akan dapat menguji senyawa yang lebih besar dan lebih kompleks untuk baterai generasi berikutnya. Jenis studi ini adalah pekerjaan dasar yang pada akhirnya akan membawa kita ke sana.

9. Tangkapan Matahari

Sel surya titik kuantum | Kredit:Universitas Queensland

Titik kuantum (partikel semikonduktor berukuran nano dengan sifat elektronik dan optik yang unik karena mekanika kuantum) dapat secara efisien mengubah energi matahari menjadi listrik. Ini akan membantu kami mengurangi emisi karbon secara signifikan dan meningkatkan teknologi pembangkit energi yang ada.

Peneliti Australia di University of Queensland telah mengembangkan titik kuantum yang fleksibel dan dapat dicetak yang memberikan efisiensi konversi daya lebih dari 16 persen.

Bahan quantum dot yang tidak beracun seperti nanocrystals bismut sulfida perak telah dipelajari secara ekstensif karena kelimpahan dan keamanannya. Meskipun belum dapat dioperasikan secara komersial dalam skala besar, beberapa perusahaan kecil telah mulai memasarkan produk fotovoltaik quantum dot.

8. Pupuk Bersih

Saat ini, pupuk amonia diproduksi melalui proses kimia bernama Haber-Bosch. Ini menggabungkan nitrogen atmosfer dengan hidrogen di bawah suhu tinggi dan tekanan yang sangat tinggi. Prosesnya menggunakan energi dalam jumlah besar dan melepaskan banyak gas rumah kaca.

Jika peneliti mengetahui mekanisme nitrogenase dan perilaku logam transisi secara rinci, mereka dapat mengembangkan katalis yang lebih efisien untuk pembuatan pupuk, serta beberapa bahan kimia penting lainnya yang diperlukan dalam industri.

Berita baiknya adalah komputer kuantum suatu hari nanti dapat memodelkan kofaktor utama nitrogenase (kofaktor FeMo), memberikan wawasan tentang mekanismenya. Ini akan membantu ahli kimia membangun proses industri hemat energi untuk mensintesis pupuk nitrogen.

7. Penemuan Materi

Gambar milik Second Bay Studios/Harvard SEAS

Karena komputasi kuantum didasarkan pada fenomena mekanika kuantum, seperti superposisi dan keterjeratan, komputasi kuantum dapat mewakili sistem kuantum lain dengan lebih mudah daripada komputer klasik. Misalnya, mesin kuantum dapat memecahkan persamaan Schrödinger untuk molekul untuk menghitung status energi yang diizinkan.

Ia menawarkan kemampuan untuk mensimulasikan molekul kompleks yang tidak dapat dilakukan oleh komputer konvensional. Bersama-sama, pengembangan perangkat keras kuantum dan algoritme kuantum menjanjikan untuk mengguncang kimia teoretis.

Dengan menangani kebisingan di qubit pada mesin kuantum, peneliti dapat mengembangkan bahan yang lebih baik dengan sifat optik dan mekanik yang disetel dengan baik.

Mempertimbangkan kemajuan terbaru dalam teknik 'pembatalan kebisingan kuantum', kita dapat mengatakan bahwa bahan generasi berikutnya mungkin dirancang pada komputer kuantum daripada mencari tahu sifat kimia yang benar dengan coba-coba.

6. Pengoptimalan Lalu Lintas

Komputer kuantum akan mengurangi banyak tantangan yang dihadirkan oleh peningkatan populasi dan kemacetan di tengah kebutuhan akan dekarbonisasi. Salah satu tantangan tersebut adalah pengendalian lalu lintas.

Teknologi kuantum dapat digunakan untuk menghindari kemacetan lalu lintas dan mempersingkat waktu tunggu. Artinya, bus dan taksi tidak perlu menempuh jarak jauh tanpa penumpang, dan orang-orang tidak perlu menunggu lama untuk taksi mereka.

Volkswagen telah mendemonstrasikan penggunaan komputasi kuantum secara langsung untuk mengoptimalkan lalu lintas. Algoritme perutean kuantumnya berjalan di komputer kuantum D-Wave dan menghitung rute perjalanan tercepat satu per satu secara waktu nyata.

Algoritme semacam itu dapat terus berinteraksi dengan objek bergerak (sepeda, mobil, dan orang) dan meningkatkan seluruh sistem mobilitas kota. Mereka juga dapat diimplementasikan dalam kontrol lalu lintas udara untuk informasi perutean yang dioptimalkan.

Volkswagen bukan satu-satunya perusahaan yang mengerjakan 'pengoptimalan lalu lintas kuantum'. Hampir semua produsen motor, termasuk BMW, Toyota, dan Ford, berinvestasi dalam penelitian kuantum.

5. Pemasaran dan Periklanan

Algoritme kuantum dapat menayangkan iklan yang lebih baik dengan membuat pola asosiasi yang memengaruhi perilaku pembelian. Alih-alih menayangkan iklan hanya berdasarkan riwayat penjelajahan pengguna, algoritme ini akan berfokus pada perasaan pengguna setelah melihat iklan dan jenis iklan apa yang dapat membantu merek menjalin hubungan jangka panjang dengan pelanggan mereka.

Misalnya, jika iklan itu menyenangkan dan membuat pemirsa tertawa atau merasa senang, itu akan membentuk hubungan masyarakat merek yang kuat. Sebaliknya, iklan yang membosankan atau menjengkelkan dapat menjadi kontraproduktif.

D-Wave Systems Inc. (bekerja sama dengan Recruit Communication Ltd) telah menerapkan komputasi kuantum untuk periklanan, pemasaran, dan pengoptimalan komunikasi. Tujuannya adalah untuk menganalisis data yang kompleks dalam waktu yang lebih singkat dan mengoptimalkan efisiensi pencocokan iklan dengan pelanggan di bidang periklanan web.

D-Wave Systems juga menjelaskan bagaimana organisasi dapat memanfaatkan anil kuantum untuk menjangkau audiens dengan iklan yang relevan dan meningkatkan Rasio Klik-Tayang (RKT).

4. Pemodelan Keuangan

Pasar modern adalah salah satu sistem yang paling rumit yang ada. Dalam waktu yang Anda perlukan untuk membaca kalimat ini, hedge fund, bank investasi, dan investor ritel di seluruh dunia akan memperdagangkan saham senilai lebih dari $80 juta.

Bagi investor institusi, menemukan campuran yang tepat untuk investasi yang bermanfaat, berdasarkan pengembalian yang diharapkan dan risiko terkait, sangat penting untuk bertahan di pasar. Ini melibatkan analisis ribuan faktor yang dapat mempengaruhi harga saham. Banyak bank investasi menjalankan simulasi 'Monte Carlo' pada komputer klasik untuk analisis mendetail, yang membutuhkan sumber daya dan waktu komputasi yang sangat besar.

Komputer kuantum dirancang khusus untuk perhitungan probabilistik semacam ini. Dengan mengikuti kereta musik kuantum, bank investasi tidak hanya dapat meningkatkan kualitas solusi tetapi juga mengurangi waktu untuk mengembangkannya. Karena bisnis ini menangani miliaran dolar, bahkan peningkatan kecil dalam pengembalian yang diharapkan bisa sangat berarti bagi mereka.

Pada akhirnya, komputer kuantum akan membantu layanan keuangan untuk: 

• Meningkatkan keuntungan investasi
• Kurangi kebutuhan modal
• Meningkatkan identifikasi dan pengelolaan risiko dan kepatuhan
• Buka peluang investasi baru.

Baca: Berapa Banyak Uang Di Dunia?

3. Penemuan Obat

Aliran informasi genetik dalam sistem biologis

Saat ini, dibutuhkan perusahaan farmasi miliaran dolar dan lebih dari sepuluh tahun untuk menemukan obat baru dan membawanya ke pasar. Mereka menjalankan ratusan juta perbandingan pada komputer klasik. Namun, kemampuan pemrosesan mesin ini sangat terbatas:mereka hanya dapat menganalisis molekul hingga ukuran tertentu.

Pertimbangkan desain obat penisilin, yang mengandung 41 atom:secara menyeluruh dan tepat memodelkan energi keadaan dasar molekul penisilin akan membutuhkan mesin digital dengan lebih banyak transistor daripada atom yang ada di alam semesta yang dapat diamati.

Masalahnya dapat diselesaikan dengan komputasi kuantum. Karena perangkat keras dan algoritme kuantum menjadi lebih mudah tersedia, akan memungkinkan untuk membandingkan molekul yang jauh lebih besar. Hal ini dapat secara dramatis mengurangi waktu dan biaya pengembangan obat, memberdayakan para peneliti untuk membuat penemuan baru lebih cepat yang dapat mengarah pada penyembuhan berbagai penyakit.

Dalam industri ilmu kehidupan, komputer kuantum diharapkan memungkinkan tiga kasus penggunaan utama yang memperkuat satu sama lain dalam siklus yang baik:

• Mengembangkan terapi pengobatan presisi dengan mengaitkan genom dan hasil
• Meningkatkan efisiensi penemuan obat bermolekul kecil dan meningkatkan hasil pasien
• Membangun produk biologis baru berdasarkan prediksi pelipatan protein

2. Kecerdasan Buatan

Mesin kuantum Google 

Kecerdasan yang ditunjukkan oleh mesin didasarkan pada prinsip belajar dari pengalaman. Semakin banyak kumpulan data yang Anda gunakan untuk melatih AI, semakin akurat hasilnya. Karena keakuratan/kekuatan AI bergantung pada analisis jutaan atau bahkan miliaran titik data, AI merupakan kandidat ideal untuk komputasi kuantum.

Untuk model tertentu, pembelajaran mesin kuantum akan jauh lebih efisien daripada pembelajaran mesin klasik. Ini meluas ke cabang penelitian yang mengeksplorasi kesamaan struktural dan metodologis antara sistem fisik tertentu dan sistem pembelajaran, khususnya jaringan saraf.

Dikatakan bahwa kecerdasan buatan akan menjadi abad ke-21 seperti halnya listrik pada abad ke-20. Kami sudah berada pada titik di mana AI cukup mampu untuk membuat AI lain, sehingga signifikansinya akan meningkat dengan cepat.

Untuk mempercepat pengembangan, Google, bekerja sama dengan Volkswagen dan University of Waterloo, telah meluncurkan TensorFlow Quantum, perpustakaan sumber terbuka untuk membuat prototipe model pembelajaran mesin kuantum. IBM, Microsoft, dan raksasa teknologi lainnya juga menggelontorkan uang untuk pembelajaran mesin kuantum.

Baca: Kecerdasan Buatan vs. Pembelajaran Mesin vs. Pembelajaran Mendalam

1. Fisika Partikel

Tabrakan proton-proton di LHC yang menghasilkan Higgs boson | CERN

Mungkin aplikasi komputasi kuantum yang paling menarik dan berguna adalah mempelajari fisika baru. Model fisika partikel sangat kompleks, membutuhkan banyak sumber daya dan waktu komputasi yang lama untuk simulasi numerik.

Misalnya, eksperimen pada Large Hadron Collider di CERN menghasilkan satu petabyte per detik data yang menakjubkan dari satu miliar tumbukan partikel setiap detik. Analisis dilakukan pada satu juta inti CPU yang bekerja di 170 pusat data di seluruh dunia. Pada tahun 2027, daya komputasi yang dibutuhkan untuk memproses dan menganalisis data CERN akan meningkat 50-100 kali lipat.

Di situlah komputasi kuantum berguna. Ini akan memungkinkan fisikawan untuk mensimulasikan fisika nuklir, hamburan inti, quark, serta interaksi fundamental.

CERN telah mulai bekerja dengan IBM pada komputer kuantum. Para peneliti telah menggunakan 'mesin vektor dukungan kuantum' untuk melihat bagaimana pembelajaran mesin kuantum yang diawasi dapat digunakan untuk mengidentifikasi peristiwa Higgs boson dalam data tabrakan.

Tim peneliti lain berhasil mensimulasikan teori pengukur kisi dalam komputer kuantum, yang menggambarkan interaksi antara partikel elementer, seperti quark dan gluon.

Baca: Apa Itu Supremasi Kuantum? Dan Mengapa Itu Penting?

Secara keseluruhan, komputasi kuantum membuat kemajuan di berbagai bidang, mulai dari fisika banyak benda hingga energi molekuler. Ini akan mengganggu teknik saat ini dan memungkinkan peneliti untuk mengatasi masalah yang tidak pernah mereka coba pecahkan sebelumnya.