Komputasi Kuantum Dijelaskan: Cara Kerja dan Mengapa Penting

Raksasa teknologi seperti Google, IBM, Amazon, dan Microsoft mengalokasikan sumber daya ke komputasi kuantum. Tujuan komputasi kuantum adalah untuk menciptakan generasi komputer berikutnya dan mengatasi batasan komputasi klasik.

Meskipun telah ada kemajuan, masih ada area yang tidak diketahui dalam bidang yang sedang berkembang ini.

Artikel ini adalah pengenalan terhadap 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? Definisi

Komputasi kuantum adalah generasi baru komputer yang didasarkan pada mekanika kuantum, cabang fisika yang mempelajari partikel atomik dan subatomik. Superkomputer ini melakukan komputasi dengan kecepatan dan tingkat 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 super konduktif dan ion atom yang terjepit, digunakan.
• Kasus penggunaan komputasi intensif: Pengguna kasual mungkin tidak memiliki banyak manfaat dari komputer kuantum. Fokus komputasi yang intensif dan kompleksitas mesin ini membuatnya cocok untuk lingkungan korporat dan ilmu pengetahuan di masa depan yang dapat diprediksi.

Tidak seperti komputer standar, sepadan kuantumnya dapat melakukan beberapa operasi secara bersamaan. Mesin ini juga menyimpan lebih banyak status per unit data dan beroperasi pada algoritma yang lebih efisien.

Kekuatan pemrosesan yang luar biasa membuat komputer kuantum mampu menyelesaikan tugas kompleks dan mencari melalui data yang tidak terurut.

Apa Itu Penggunaan Komputasi Kuantum? Kasus Penggunaan Industri

Adopsi komputer yang lebih powerful memberikan manfaat bagi setiap industri. Namun, beberapa area sudah menonjol sebagai peluang yang baik bagi komputer kuantum untuk memberikan dampak:

• Kesehatan: Komputer kuantum membantu mengembangkan obat baru dengan cepat. Penelitian DNA juga mendapat manfaat besar dari penggunaan komputasi kuantum.
• Keamanan Siber: Pemrograman kuantum dapat meningkatkan enkripsi data. Sistem Quantum Key Distribution (QKD) baru, misalnya, menggunakan sinyal cahaya untuk mendeteksi serangan siber atau pengintai jaringan.
• Keuangan: Perusahaan dapat mengoptimalkan portofolio investasi mereka dengan komputer kuantum. Peningkatan dalam deteksi penipuan dan sistem simulasi juga kemungkinan besar terjadi.
• Transportasi: Komputer kuantum dapat menyebabkan kemajuan dalam sistem perencanaan lalu lintas dan optimasi rute.

Apa Itu Qubit?

Kunci di balik kekuatan komputer kuantum adalah kemampuannya untuk menciptakan dan memanipulasi quantum bit, atau qubit.

Berikut adalah keadaan qubit q₀:

q0 = a|0> + b|1>, where a2 + b2 = 1

Kemungkinan q₀ menjadi 0 saat diukur adalah a². Probabilitasnya menjadi 1 saat diukur adalah b². Karena sifat probabilistik, qubit dapat menjadi 0 dan 1 pada saat yang sama.

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. Oleh karena itu, 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 "Measurement probabilities" menunjukkan bahwa q₀ memiliki 100% kemungkinan diukur sebagai 0. Grafik "Statevector" menunjukkan nilai a dan b, yang masing-masing sesuai dengan kolom "computational basis states" 0 dan 1.

Dalam kasus Gambar 1, a sama dengan 1 dan b sama dengan 0. Jadi, q₀ memiliki probabilitas 1² = 1 untuk diukur sebagai 0.

Grup terhubung qubit memberikan lebih banyak kekuatan pemrosesan daripada jumlah bit biner yang sama. Perbedaan dalam pemrosesan disebabkan oleh dua properti kuantum: superposisi dan entanglement.

Superposisi dalam Komputasi Kuantum

Saat 0 < a dan b < 1, qubit berada dalam keadaan yang disebut superposisi. Dalam keadaan ini, mungkin untuk melompat ke 0 atau 1 saat diukur. Probabilitas untuk mencapai 0 atau 1 ditentukan oleh a² dan b².

Hadamard Gate adalah gate dasar dalam komputasi kuantum. Hadamard Gate memindahkan qubit dari keadaan non-superposisi 0 atau 1 ke keadaan superposisi. Sementara berada dalam keadaan superposisi, ada probabilitas 0,5 bahwa qubit diukur sebagai 0. Ada juga peluang 0,5 qubit berakhir sebagai 1.

Mari kita lihat efek penambahan Hadamard Gate (ditunjukkan sebagai merah H) pada q₀ dimana q₀ saat ini berada dalam keadaan non-superposisi 0 (Gambar 2). Setelah melewati Hadamard gate, grafik "Measurement Probabilities" menunjukkan bahwa ada peluang 50% untuk mendapatkan 0 atau 1 saat q₀ diukur.

Grafik "Statevector" menunjukkan nilai a dan b, yang keduanya adalah akar kuadrat dari 0,5 = 0,707. Probabilitas qubit diukur ke 0 dan 1 adalah 0,707² = 0,5, jadi q₀ sekarang berada dalam keadaan superposisi.

Apa Itu Pengukuran?

Saat kita mengukur qubit dalam keadaan superposisi, qubit melompat ke keadaan non-superposisi. Pengukuran mengubah qubit dan memaksanya keluar dari superposisi ke keadaan 0 atau 1.

Jika qubit berada dalam keadaan non-superposisi 0 atau 1, mengukurnya tidak akan mengubah apa pun. Dalam hal itu, qubit sudah berada dalam keadaan 100% menjadi 0 atau 1 saat diukur.

Mari kita tambahkan operasi pengukuran ke dalam sirkuit (Gambar 3). Kami mengukur q₀ setelah Hadamard gate dan mengeluarkan nilai pengukuran ke bit 0 (bit klasik) dalam c1:

Untuk melihat hasil pengukuran q₀ setelah Hadamard Gate, kami mengirim sirkuit untuk berjalan pada komputer kuantum aktual yang disebut "ibmq_armonk." Secara default, ada 1024 jalannya sirkuit kuantum. Hasilnya (Gambar 4) menunjukkan bahwa sekitar 47,4% dari waktu, pengukuran q₀ adalah 0. Sisa 52,6% dari waktu, diukur sebagai 1:

Jalannya kedua (Gambar 5) menghasilkan distribusi 0 dan 1 yang berbeda, tetapi masih dekat dengan pembagian 50/50 yang diharapkan:

Entanglement dalam Komputasi Kuantum

Jika dua qubit berada dalam keadaan entanglement, pengukuran satu qubit segera "collapses" nilai yang lain. Efek yang sama terjadi meskipun dua qubit yang terentang jauh berpisah.

Mari kita lihat contohnya. Operasi kuantum yang memasukkan dua qubit yang belum terentang ke dalam keadaan terentang adalah CNOT gate. Untuk mendemonstrasikan ini, kami pertama-tama menambahkan qubit lain q₁, yang diinisialisasi ke 0 secara default. Sebelum CNOT gate, kedua qubit belum terentang, jadi q₀ memiliki peluang 0,5 untuk menjadi 0 atau 1 karena Hadamard gate, sementara q₁ akan menjadi 0. Grafik "Measurement Probabilities" (Gambar 6) menunjukkan bahwa probabilitas (q₁, q₀) menjadi (0, 0) atau (0, 1) adalah 50%:

Kemudian kami menambahkan CNOT gate (ditunjukkan sebagai titik biru dan tanda plus) yang mengambil output q₀ dari Hadamard gate dan q₁ sebagai input. Grafik "Measurement Probabilities" sekarang menunjukkan bahwa ada peluang 50% (q₁, q₀) menjadi (0, 0) dan 50% menjadi (1, 1) saat diukur (Gambar 7):

Ada peluang nol 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 ini, q₀ dan q₁ terentang.

Mari kita jalankan ini pada komputer kuantum aktual dan lihat apa yang terjadi (Gambar 8):

Kami mendekati distribusi 50/50 antara keadaan '00' dan '11'. Kami juga melihat kejadian tidak terduga '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 Bell Hanyalah Titik Awal

Sirkuit yang ditampilkan di bagian 'Entanglement' disebut Sirkuit Bell. Meskipun dasar, sirkuit ini menunjukkan beberapa konsep dan properti dasar komputasi kuantum, yaitu qubit, superposisi, entanglement, dan pengukuran. Sirkuit Bell sering disebut sebagai program Hello World untuk komputasi kuantum.

Sampai saat ini, Anda mungkin memiliki banyak pertanyaan, seperti:

• Bagaimana kita mewakili secara fisik keadaan superposisi qubit?
• Bagaimana kita mengukur qubit secara fisik, dan mengapa itu memaksa qubit menjadi 0 atau 1?
• Apa persisnya |0> dan |1> dalam formulasi qubit?
• Mengapa a² dan b² sesuai dengan peluang qubit diukur sebagai 0 dan 1?
• Apa representasi matematis gate Hadamard dan CNOT? Mengapa gate memasukkan qubit ke dalam keadaan superposisi dan entanglement?
• Dapatkah kita menjelaskan fenomena entanglement?

Tidak ada jalan pintas untuk mempelajari komputasi kuantum. Bidang ini menyentuh topik kompleks yang meliputi fisika, matematika, dan ilmu komputer.

Ada banyak buku dan tutorial video yang baik yang memperkenalkan teknologi ini. Sumber daya ini biasanya mencakup konsep prasyarat seperti aljabar linear, mekanika kuantum, dan komputasi biner.

Selain buku dan tutorial, Anda juga dapat banyak belajar dari contoh kode. Solusi untuk optimasi portofolio keuangan dan perutean kendaraan, misalnya, adalah titik awal yang baik untuk mempelajari komputasi kuantum.

Langkah Selanjutnya dalam Evolusi Komputer

Komputer kuantum memiliki potensi untuk melampaui bahkan superkomputer yang paling canggih. Komputasi kuantum dapat mengarah pada terobosan dalam ilmu pengetahuan, kedokteran, pembelajaran mesin, konstruksi, transportasi, keuangan, dan layanan darurat.

Janji tersebut terlihat, tetapi teknologi masih jauh dari dapat diterapkan dalam skenario kehidupan nyata. Namun, kemajuan baru muncul setiap hari, jadi harapkan komputasi kuantum akan menyebabkan gangguan signifikan dalam beberapa tahun ke depan.