Supremasi Kuantum Dijelaskan: Mengapa Ini Penting untuk Masa Depan Komputasi

Konsep sistem kuantum pertama kali diajukan oleh matematikawan Rusia, Yuri Manin, pada 1980. Namun, adalah Richard Feynman yang mengonsepsikan kemungkinan komputer kuantum pada awal tahun 1980-an.

Feynman mengajukan bahwa komputer kuantum akan efektif dalam menyelesaikan masalah kimia dan fisika. Komputer saat ini menggunakan logika biner untuk melakukan tugas, tetapi jika kita menggunakan aturan mekanika kuantum, banyak tugas komputasi kompleks akan menjadi dapat dilakukan.

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

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

Apa Itu Supremasi Kuantum?

Supremasi Kuantum adalah tujuan membangun sistem komputasi kuantum yang dapat menyelesaikan masalah yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer klasik dalam waktu yang wajar.

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

Supremasi kuantum adalah langkah penting pada jalan menuju komputasi yang lebih canggih dan berguna. Beberapa usulan telah dibuat untuk mendemonstrasikan supremasi kuantum. Yang paling menonjol adalah:

• Mengambil sampel output dari sirkuit kuantum acak
• Masalah loop kluster frustasi yang dirancang oleh D-Wave
• Usulan sampel boson yang diperkenalkan oleh Aaronson dan Arkhipov

Bagaimana kita akan mengetahui dengan pasti bahwa supremasi kuantum telah tercapai?

Memverifikasi supremasi kuantum adalah salah satu tugas yang paling sulit. Ini tidak seperti ledakan nuklir atau peluncuran roket, di mana Anda hanya menonton dan segera tahu apakah berhasil.

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

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

Bagian kedua cukup rumit. Ternyata komputer klasik dapat melakukan jenis masalah tertentu dengan sangat efisien (lebih baik dari harapan ilmuwan). Sampai seseorang membuktikan bahwa komputer klasik tidak mungkin dapat melakukan tugas tertentu secara efektif, selalu ada kemungkinan bahwa algoritma klasik yang lebih efisien dan lebih baik ada. Membuktikan bahwa tidak ada algoritma klasik semacam itu dapat menjadi kontroversial, dan mungkin membutuhkan banyak waktu.

Baca: 12 Fastest Supercomputers In The World

Perang Membuat Komputer Kuantum

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

Pada 2016, Google mengembangkan simulasi kuantum yang dapat diskalakan sepenuhnya dari molekul hidrogen, menggunakan chip kuantum 9-qubit. Pada 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 2018, Google mengungkapkan prosesor 72-qubit bernama Bristlecone, dan pada 2019, IBM meluncurkan komputer kuantum berbasis sirkuit komersial pertama di dunia, IBM Q System One.

D-Wave Systems, perusahaan komputasi kuantum Kanada yang mendapatkan pendanaan besar, tetap merupakan pengecualian. Pada 2015, komputer kuantum 2X-nya dengan lebih dari 1000-qubit dipasang di laboratorium kecerdasan buatan kuantum NASA. Perusahaan telah kemudian mengirimkan sistem dengan 2048-qubit. Perangkat mereka mengandalkan teknik alternatif yang disebut annealing kuantum untuk menyelesaikan masalah yang sangat spesifik.

Baca: 5 Quantum Processors That Feature New Computing Paradigm

Pengumuman Besar Google

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

Menurut tim penelitian, komputer super klasik akan membutuhkan 10.000 tahun untuk melakukan perhitungan yang sama. Peningkatan kecepatan yang signifikan ini (dibandingkan algoritma klasik) adalah realisasi eksperimental supremasi kuantum untuk tugas tertentu ini.

Apa yang Mereka Lakukan?

Untuk mendemonstrasikan supremasi kuantum, Google memilih untuk menyelesaikan masalah tertentu yang disebut "random circuit sampling." Contoh sederhana dari masalah ini adalah program untuk mensimulasikan lemparan dadu yang adil.

Program akan berjalan dengan akurat jika ia dengan benar mengambil sampel dari semua hasil yang mungkin. Ini berarti program harus menghasilkan setiap angka pada dadu 1/6 dari waktu saat dieksekusi berulang-ulang.

Dalam skenario nyata, alih-alih melempar dadu, komputer perlu dengan benar mengambil sampel dari semua output yang mungkin dari sirkuit kuantum acak. Urutan tindakan ini dilakukan pada sekelompok qubit. Ketika qubit melalui sirkuit, statusnya menjadi terkelintir (juga dikenal sebagai superposisi kuantum).

Misalnya, ketika sirkuit bertindak pada 54 qubit, itu menyebabkan 54 qubit menjadi superposisi dari 2⁵⁴ status yang mungkin pada akhir sirkuit. Ini berarti sekumpulan kemungkinan 2⁵⁴ ini runtuh menjadi satu string 54 bit. Ini seperti melempar dadu, tetapi alih-alih 6 hasil yang mungkin, Anda mendapatkan 2⁵⁴ hasil, dan tidak semua memiliki kemungkinan yang sama untuk terjadi.

Serangkaian sampel dari sirkuit acak ini (mengikuti distribusi yang tepat), dapat dengan dihasilkan secara efisien pada komputer kuantum. Namun, tidak ada algoritma klasik untuk menghasilkan sampel ini pada superkomputer terbaru. Oleh karena itu, seiring bertambahnya jumlah sampel, superkomputer digital dengan cepat terpusing oleh perhitungan.

Dalam eksperimen ini, peneliti Google menjalankan sirkuit acak yang disederhanakan dari 12 hingga 53 qubit, sambil mempertahankan jumlah siklus gerbang (gerbang logika kuantum) konstan. Kemudian mereka menggunakan simulasi klasik untuk memeriksa performa komputer kuantum dan membandingkannya dengan model teoretis.

Setelah mereka mengonfirmasi 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 dilakukan.

Proses untuk mendemonstrasikan supremasi kuantum | Kredit: Google

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

Untuk mencapai tingkat performa ini, mereka menggunakan jenis kontrol baru yang dapat mematikan interaksi antara qubit yang berdekatan, secara signifikan mengurangi kesalahan dalam sistem qubit multi-terkoneksi. Mereka juga mengembangkan kalibrasi kontrol baru untuk menghindari cacat qubit dan mengoptimalkan desain chip untuk mengurangi crosstalk, yang lebih meningkatkan performa chip kuantum.

Apakah Google Benar-Benar Mencapai Supremasi Kuantum?

Chip Sycamore Google disimpan di dalam kriostat kuantum. Kredit Gambar: Eric Lucero/Google

Meskipun Google klaim bahwa mereka telah mencapai supremasi kuantum dan komputer super klasik akan membutuhkan sekitar 10.000 tahun untuk melakukan tugas yang setara, IBM menentang klaim ini, dengan mengatakan bahwa simulasi ideal dari tugas yang sama dapat dilakukan pada komputer klasik dalam 2,5 hari dengan fidelitas yang jauh lebih tinggi.

Eksperimen Google tidak boleh dilihat sebagai bukti bahwa perangkat kuantum 'unggul' atas komputer klasik. Namun, ini dengan sempurna menunjukkan kemajuan dalam komputasi kuantum berbasis superkonduktor, mengungkapkan fidelitas gerbang terkini pada sistem 53-qubit.

Headline yang berisi variasi dari 'supremasi kuantum tercapai' menarik perhatian dan menarik untuk dibaca, tetapi mereka sepenuhnya menyesatkan masyarakat umum.

Menurut definisi supremasi kuantum, tujuan belum tercapai. Dan bahkan jika seseorang mendemonstrasikannya di masa mendekat, komputer kuantum tidak akan pernah memerintah 'unggul' atas komputer klasik. Sebaliknya, sistem kuantum akan bekerja bersama superkomputer klasik, karena masing-masing memiliki kekuatan dan manfaat uniknya.

Sengkalan Nama

Beberapa ilmuwan tidak setuju dengan istilah 'supremasi kuantum.' Menurut perspektif mereka, kata 'supremasi' memiliki nuansa kekerasan, neokolonialisme, dan rasisme melalui asosiasinya dengan 'supremasi putih.' Mereka telah menyarankan bahwa frasa alternatif 'keuntungan kuantum' harus digunakan sebagai gantinya.

Namun, John Preskill, yang menciptakan frasa ini, menjelaskan bahwa ia ingin menekankan bahwa ini adalah waktu istimewa dalam sejarah ketika teknologi informasi berdasarkan hukum kuantum sedang naik. Dia juga menjelaskan bahwa "supremasi kuantum" paling baik menangkap poin yang ingin disampaikan. Kata lain, seperti 'keuntungan,' tidak memiliki daya pukul dari 'supremasi.'

Aplikasi dan Masa Depan

Kemajuan terbaru dalam komputasi kuantum telah menginspirasi generasi baru dari ilmuwan komputer dan fisikawan untuk secara fundamental mengubah aspek teknologi informasi.

Saat ini, ilmuwan sedang bekerja pada mesin kuantum yang tahan kesalahan yang akan dapat mengoreksi kesalahan komputasi secara waktu nyata, memungkinkan perhitungan kuantum yang bebas kesalahan. Pertimbangkan keadaan terkini dalam komputasi kuantum, tujuan ini masih beberapa tahun dari realisasi.

Perusahaan teknologi sedang berinvestasi ratusan juta dolar untuk mengembangkan perangkat kuantum yang tahan kesalahan secepat mungkin. Namun, pertanyaan besar adalah apakah mesin kuantum akan perlu tahan kesalahan sebelum mereka dapat melakukan tugas yang berguna.

Mesin semacam ini menjanjikan berbagai aplikasi berharga. Misalnya, komputasi kuantum dapat meningkatkan peramalan cuaca, memperkuat keamanan siber, dan membantu merancang materi baru untuk pesawat dan baterai ringan kendaraan. Ini dapat memetakan molekul individual dengan presisi, yang pada gilirannya, dapat membuka peluang untuk penelitian farmasi.

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

Baca: 22 Most Interesting Facts About Quantum Computers

Saat ini, sulit untuk memprediksi industri mana yang akan paling terpengaruh oleh komputasi kuantum, karena telah diuji pada himpunan tugas yang sangat terbatas. Kita akan perlu sabar selama beberapa tahun (atau bahkan beberapa dekade) sebelum kita dapat menghargai kemuliaan penuh dari era kuantum.