Komputer Kuantum Dijelaskan: 22 Fakta Kunci (Edisi 2021)

Komputer kuantum tidak dimaksudkan untuk memeriksa email Anda, memperbarui status, atau melakukan tugas perangkat lunak/perangkat keras normal. Sebaliknya, mereka didasarkan pada sesuatu yang lebih rumit – Mekanika Kuantum.

Komputer kuantum berurusan dengan partikel yang jauh lebih kecil dari ukuran atom. Pada skala yang lebih kecil ini, aturan fisika tidak memiliki arti. Inilah tempat hal-hal yang menarik mulai terjadi. Partikel dapat bergerak maju mundur atau bahkan dapat ada secara bersamaan. Jenis komputer ini dapat meningkatkan kekuatan komputasi di luar yang dapat dicapai oleh komputer konvensional saat ini.

Mari kita uraikan apa yang kita ketahui tentang komputasi kuantum saat ini. Kami telah mengumpulkan beberapa fakta menarik tentang komputer kuantum yang akan membuat pikiran Anda terpukau.

1. Pola Penyimpanan Informasi

Komputer yang kita gunakan saat ini menyimpan data dalam format biner – serangkaian 0 dan 1. Setiap komponen memori disebut bit, dan dapat dimanipulasi melalui langkah-langkah logika Boolean.

Di sisi lain, komputer kuantum akan menyimpan data sebagai ‘0’, ‘1’, atau superposisi kuantum dari kedua status tersebut. Sebuah quantum bit (juga dikenal sebagai Qubit) memiliki fleksibilitas jauh lebih besar dibandingkan sistem biner.

Qubit dapat diimplementasikan dengan menggunakan partikel dengan dua status spin – “atas” dan “bawah“. Sistem seperti ini dapat dipetakan ke dalam sistem spin-1/2 yang efektif.

2. Kecepatan Luar Biasa

Karena data dalam komputer kuantum dapat ada dalam lebih dari sekadar status 0 dan 1, mereka dapat melakukan perhitungan secara paralel. Pertimbangkan contoh sederhana; jika qubit berada dalam superposisi status 0 dan status 1, dan ia melakukan perhitungan dengan qubit lain dalam superposisi yang serupa, ini akan menghasilkan empat hasil – 0/1, 0/0, 1/0 dan 1/1.

Komputer kuantum akan menunjukkan hasil di atas ketika berada dalam keadaan dekoherensi, yang berlangsung (saat berada dalam superposisi status) sampai runtuh menjadi satu status. Kemampuan untuk melakukan beberapa tugas secara bersamaan dikenal sebagai paralelisme kuantum.

3. Keamanan Didefinisikan Ulang

Kecepatan komputer kuantum juga merupakan kekhawatiran serius di bidang enkripsi dan kriptografi. Sistem keuangan dunia saat ini didasarkan pada pembagian angka besar (algoritma RSA atau DSA) yang secara harfiah tidak dapat dipecahkan oleh komputer konvensional dalam umur bumi. Namun, komputer kuantum dapat membagi angka tersebut dalam waktu yang wajar.

Di sisi lain, komputer kuantum akan dapat menyediakan fitur keamanan yang tidak dapat dipecahkan. Mereka dapat mengunci data krusial (seperti transaksi online, akun email) dengan enkripsi yang jauh lebih baik.
Banyak algoritma telah dikembangkan untuk komputer kuantum – yang paling terkenal adalah algoritma Grover (untuk mencari database yang tidak terstruktur) dan algoritma Shor (untuk membagi angka besar).

4. Hemat Daya

Konsumsi daya adalah faktor kritis dari setiap perangkat yang berjalan dengan listrik. Array besar prosesor membutuhkan pasokan daya yang besar untuk mempertahankan performanya. Misalnya, superkomputer tercepat di dunia (Summit) mengonsumsi 13 MW daya.

Namun, hal-hal menjadi sangat menarik dengan komputer kuantum. Karena mereka menggunakan tunnel kuantum, mereka akan mengurangi konsumsi daya dengan faktor 100 hingga 1000.

5. Realitas Alternatif

Menurut fisika kuantum, kita berurusan dengan sesuatu yang disebut Multiverse, di mana suatu masalah dapat memiliki banyak atau solusi yang tak terbatas. Misalnya, Anda mungkin membaca artikel ini di laptop Anda. Di universum lain, Anda mungkin membaca ini melalui ponsel sambil bepergian.

Komputer kuantum dapat melakukan ‘n’ tugas dalam ‘n’ universum paralel dan sampai pada hasilnya. Jika komputer tradisional melakukan ‘n’ perhitungan dalam ‘n’ detik, komputer kuantum dapat melakukan ‘n² perhitungan dalam waktu yang sama.

Anda mungkin ingat Deep Blue IBM adalah komputer pertama yang mengalahkan juara catur dunia, Garry Kasparov, pada tahun 1997. Komputer melakukannya dengan memeriksa 200 juta gerakan yang mungkin per detik. Jauh dari kemampuan otak manusia! Namun, jika itu adalah mesin kuantum, ia akan menghitung 1 triliun gerakan per detik, 4 triliun gerakan dalam 2 detik, dan 9 triliun gerakan dalam 3 detik.

6. Mengapa Sulit Membangun Komputer Kuantum

Masalah dengan komputer kuantum adalah stabilitas. Ternyata interferensi (getaran apa pun mengganggu getaran atom) menghasilkan output yang acak. Elektron dalam mekanika kuantum berperilaku seperti gelombang dan dijelaskan oleh fungsi gelombang. Gelombang ini dapat interferensi, menyebabkan perilaku aneh partikel kuantum, dan ini disebut dekoherensi.

7. Suhu Dingin

Suhu yang diperlukan untuk mempertahankan kondisi stabil untuk performa yang lebih baik harus sangat rendah. Untuk membuat komputer kuantum bekerja, atom harus dijaga agar stabil. Dan satu cara yang diketahui efisien untuk menjaga atom ini stabil adalah dengan menurunkan suhu ke nol Kelvin, di mana atom menjadi stabil tanpa melepaskan panas.

Saat ini, sistem D-Wave 2000Q adalah komputer kuantum yang paling canggih. Prosesor superkonduktornya didinginkan hingga 0,015 Kelvin (180 kali lebih dingin dari ruang angkasa antar bintang).

8. Keterampilan Pemecahan Masalah

Komputer kuantum dapat menjalankan algoritma klasik; namun, untuk hasil yang efisien, mereka menggunakan algoritma yang tampak inherent kuantum atau menggunakan beberapa fitur komputasi kuantum seperti entanglement kuantum atau superposisi kuantum.

Masalah kelas tidak dapat diputuskan tetap tidak dapat diputuskan dalam komputasi kuantum. Hal yang membuat algoritma kuantum menarik adalah bahwa mereka akan dapat menyelesaikan masalah lebih cepat dari algoritma klasik. Misalnya, mereka dapat menyelesaikan masalah penjual bepergian dalam detik, yang membutuhkan waktu 30 menit dalam komputer konvensional.

Selain itu, komputer kuantum dapat membantu menemukan planet jauh, memprediksi cuaca dengan tepat, mendeteksi kanker lebih awal, dan mengembangkan obat yang lebih efektiv dengan menganalisis data sekuen DNA.

9. Perubah Permainan A.I

Kecerdasan buatan masih dalam tahap awal. Robot canggih saat ini dapat masuk ke ruangan, mengenali bahan, bentuk, dan tubuh yang bergerak, tetapi kurang faktor yang membuatnya benar-benar cerdas. Komputer kuantum jauh lebih baik di bidang pemrosesan informasi — dengan 300 bit, kita akan dapat memetakan seluruh alam semesta.

Mesin kuantum akan dapat mempercepat laju operasi machine learning secara eksponensial, mengurangi waktu dari ratusan ribu tahun menjadi sekedar detik.

Untuk mengukur jarak antara dua vektor besar berukuran 1 Zettabyte, komputer konvensional dengan kecepatan jam GHz akan membutuhkan waktu ratusan ribu tahun. Sedangkan, komputer kuantum dengan kecepatan jam GHz (jika pernah dibuat di masa depan) akan membutuhkan waktu hanya satu detik setelah vektor di-entang dengan qubit tambahan.

10. Tidak Semua Hal Dapat Dibuat Cepat

Meskipun komputer kuantum menemukan cara teroptimal untuk menyelesaikan masalah, mereka bergantung pada beberapa prinsip matematika dasar yang komputer pribadi Anda gunakan setiap hari. Ini merujuk pada aritmetika dasar yang sudah dioptimalkan dengan baik.

Tidak ada cara yang lebih baik untuk menambahkan seperangkat angka daripada hanya menambahkannya. Dalam kasus seperti itu, komputer klasik sama efektifnya dengan komputer kuantum.

11. Prestasi Terbaru Pada Komputasi Kuantum

Ilmuwan di Universitas New South Wales mengembangkan gerbang logika kuantum pertama menggunakan silikon pada tahun 2015. Pada tahun yang sama, NASA mengungkapkan komputer kuantum operasional pertama yang dibuat oleh D-Wave yang berharga $15 juta.

Pada tahun 2016, peneliti di Universitas Maryland berhasil menciptakan komputer kuantum yang dapat diprogram ulang pertama. Dua bulan kemudian, Universitas Basel menentukan varian dari mesin kuantum berbasis elektron-lubang yang menggunakan lubang elektron (alih-alih memanipulasi spin elektron) dalam semikonduktor pada suhu rendah, yang cukup tidak rentan terhadap dekoherensi.

Pada tahun 2019, Google AI, dalam kemitraan dengan NASA, menerbitkan artikel yang mengklaim bahwa mereka telah mencapai kuantum supremacy — terobosan dalam sejarah komputasi kuantum.

12. Sistem Dapat Digunakan Untuk Mensimulasikan Mesin Kuantum

Salah satu aplikasi paling penting dari komputasi kuantum adalah simulator kuantum. Mereka memungkinkan analisis sistem kuantum yang tidak dapat dimodelkan dengan superkomputer dan sulit untuk dipelajari di laboratorium.

Simulator kuantum dirancang secara khusus untuk memberikan wawasan tentang masalah fisika tertentu. Mereka dapat dibuat dengan komputer kuantum ‘digital’ yang dapat diprogram secara konvensional, yang dapat menyelesaikan berbagai masalah kuantum.

Sampai saat ini, simulator kuantum telah direalisasikan di banyak platform eksperimental yang berbeda, termasuk sistem ion terjebak, molekul polar, gas kuantum ultra dingin, titik kuantum, dan sirkuit superkonduktor.

13. Bahasa Pemrograman Untuk Komputer Kuantum

Pada tahun 2020, peneliti mengembangkan Sliq: bahasa pemrograman tingkat tinggi yang mudah dipahami untuk komputer kuantum.

Dalam komputasi kuantum, pengembang biasanya harus menghadapi beberapa hal yang memusingkan, seperti tingkat abstrak yang rendah yang menghasilkan kode yang berantakan, nilai sementara yang perlu dibuang, dan banyak lagi.

Meskipun beberapa bahasa kuantum mencoba mengatasi hal ini, mereka bekerja dengan cara yang cukup rumit. Sliq, sebaliknya, mendukung uncomputasi yang aman dan otomatis, yang memungkinkan semantik yang intuitif.

Beberapa Fakta dan Penemuan Menarik Lainnya

14. Komputasi kuantum pertama kali disebutkan oleh Richard Feynman pada tahun 1959 dalam ceramahnya yang terkenal ‘There is plenty of room at the bottom.’ Ia mempertimbangkan kemungkinan memanipulasi atom individu sebagai bentuk yang ditingkatkan dari kimia sintetik.

15. Protokol distribusi kunci kuantum pertama di dunia, BB84, dikembangkan oleh peneliti IBM Gillies Brassard dan Charles Bennett pada tahun 1984. Ini adalah teknik untuk mengirimkan kunci pribadi secara aman dari satu titik ke titik lain untuk digunakan dalam enkripsi one-time pad.

16. Pada Februari 2018, ilmuwan fisika menemukan bentuk cahaya baru, yang melibatkan status terikat tiga-foton dalam medium kuantum nonlinier, yang dapat mendorong revolusi komputasi kuantum.

17. Pada Maret 2018, Laboratorium Kecerdasan Buatan Kuantum — yang dijalankan oleh Universities Space Research Association, NASA, dan Google — merilis prosesor 72-qubit bernama Bristlecone.

18. Model realistis komputasi kuantum berjalan pada algoritma kuantum, yang dapat dikategorikan berdasarkan jenis masalah yang mereka selesaikan atau teknik/ide yang mereka gunakan. Saat ini, kita memiliki algoritma berdasarkan amplifikasi amplitudo, transform Fourier kuantum, dan algoritma kuantum hibrida.

19. Beberapa kandidat berbeda sedang dituruti untuk mengimplementasikan mesin kuantum secara fisik. Di antaranya, yang paling populer adalah –

• Komputer kuantum superkonduktor dan ion terjebak
• Titik kuantum berbasis spin dan berbasis spasial
• Komputer kuantum berbasis berlian
• Elektrodinamika kuantum ruang rongga
• Magnet molekuler

20. Data yang dienkode dalam status kuantum tidak dapat disalin. Jika Anda mencoba membaca data ini, status kuantumnya akan berubah. Fitur ini dapat digunakan untuk mengidentifikasi penyadapan dalam distribusi kunci kuantum.

21. Sampai saat ini, lima perusahaan telah memproduksi chip kuantum – Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience dan Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q), dan D-Wave (Ranier).

22. Pada tahun 2020, tim peneliti di Universitas California, Los Angeles, menetapkan rekor baru untuk mempersiapkan dan mengukur bit kuantum dalam komputer kuantum tanpa kesalahan. Lebih spesifik, mereka mencapai tingkat kesalahan persiapan dan pengukuran sebesar 0,03%. Ini akan mempengaruhi hampir setiap area ilmu informasi kuantum.