Apa itu komputasi Kuantum?
Komputasi kuantum
adalah bidang multidisiplin yang terdiri dari aspek ilmu komputer, fisika, dan
matematika yang memanfaatkan mekanika kuantum untuk memecahkan masalah kompleks
lebih cepat daripada komputer klasik. Bidang komputasi kuantum mencakup penelitian
perangkat keras dan pengembangan aplikasi. Komputer kuantum mampu memecahkan
tipe masalah tertentu lebih cepat daripada komputer klasik, dengan memanfaatkan
efek mekanika kuantum, seperti superposisi dan interferensi kuantum. Beberapa
aplikasi di mana komputer kuantum dapat memberikan peningkatan kecepatan
semacam itu meliputi machine learning (ML), optimisasi, dan
simulasi sistem fisik. Kasus penggunaan pada akhirnya dapat berupa optimasi
portofolio di bidang keuangan atau simulasi sistem kimia, memecahkan masalah
yang saat ini mustahil dilakukan bahkan oleh superkomputer paling kuat di
pasar.
Apa itu keunggulan komputasi kuantum?
Saat ini, tidak ada
komputer kuantum yang dapat melakukan tugas yang bermanfaat lebih cepat, lebih
murah, atau lebih efisien daripada komputer klasik. Keunggulan kuantum adalah
ambang batas di mana kami telah membangun sistem kuantum yang dapat melakukan
operasi yang tidak dapat disimulasikan oleh komputer klasik terbaik dalam waktu
yang wajar.
Apa itu mekanik kuantum?
Mekanika kuantum
adalah bidang fisika yang mempelajari perilaku partikel pada tingkat
mikroskopis. Pada tingkat subatomik, persamaan yang menggambarkan cara partikel
berperilaku berbeda dari persamaan yang menggambarkan dunia makroskopik di
sekitar kita. Komputer kuantum memanfaatkan perilaku ini untuk melakukan
komputasi dengan cara yang benar-benar baru.
Apa itu qubit?
Bit kuantum, atau qubit,
diwakili oleh partikel kuantum. Manipulasi qubit oleh perangkat kontrol adalah
inti dari kekuatan pemrosesan komputer kuantum. Qubit di komputer kuantum
bersifat analog dengan bit di komputer klasik. Prosesor mesin klasik melakukan
semua pekerjaannya dengan memanipulasi bit pada intinya. Demikian pula, prosesor
kuantum melakukan semua pekerjaannya dengan memproses qubit.
Bagaimana cara membedakan qubit dengan bit klasik?
Dalam komputasi klasik,
bit adalah sinyal elektronik yang aktif atau tidak aktif. Dengan demikian,
nilai bit klasik dapat menjadi satu (on) atau nol (off). Namun,
karena didasarkan pada hukum mekanika kuantum, qubit dapat ditempatkan dalam
keadaan superposisi.
Apa saja prinsip komputasi kuantum?
Komputer kuantum bekerja menggunakan prinsip kuantum. Prinsip kuantum
memerlukan kamus istilah baru untuk dipahami sepenuhnya, istilah yang mencakup
superposisi, keterikatan, dan dekoherensi. Mari kita pahami prinsip-prinsip di
bawah ini.
Superposisi
Superposisi
menyatakan bahwa, seperti gelombang dalam fisika klasik, Anda dapat menambahkan
dua atau beberapa keadaan kuantum dan hasilnya akan menjadi keadaan kuantum
lain yang valid. Sebaliknya, Anda juga dapat merepresentasikan setiap keadaan
kuantum sebagai jumlah dari dua atau beberapa keadaan berbeda lainnya.
Superposisi qubit ini memberikan paralelisme yang melekat pada komputer
kuantum, yang memungkinkannya untuk memproses jutaan operasi secara bersamaan.
Keterikatan
Keterikatan kuantum
terjadi saat dua sistem terhubung begitu erat sehingga pengetahuan mengenai
satu sistem memberi Anda pengetahuan langsung mengenai sistem yang lain, tidak
peduli seberapa jauh jaraknya. Prosesor kuantum dapat menarik kesimpulan mengenai
satu partikel dengan cara mengukur partikel yang lain. Misalnya, prosesor
kuantum dapat menentukan bahwa jika satu qubit berputar ke atas, yang lain akan
selalu berputar ke bawah, dan sebaliknya. Keterikatan kuantum memungkinkan
komputer kuantum untuk memecahkan masalah kompleks lebih cepat.
Saat keadaan kuantum
diukur, fungsi gelombang runtuh dan Anda mengukur keadaan sebagai nol atau
satu. Dalam keadaan yang diketahui atau deterministik ini, qubit bertindak
sebagai bit klasik. Keterikatan adalah kemampuan qubit untuk mengorelasikan
keadaannya dengan qubit lainnya.
Dekoherensi
Dekoherensi adalah hilangnya keadaan kuantum dalam qubit. Faktor
lingkungan, seperti radiasi, dapat menyebabkan keadaan kuantum qubit runtuh.
Tantangan teknik yang besar dalam membangun komputer kuantum adalah mendesain
berbagai fitur yang mencoba untuk menunda dekoherensi keadaan, seperti
membangun struktur khusus yang melindungi qubit dari medan eksternal.
Apa saja komponen dari komputer kuantum?
Komputer kuantum memiliki
perangkat keras dan perangkat lunak, mirip dengan komputer klasik.
Perangkat keras kuantum
Perangkat keras kuantum memiliki tiga komponen utama.
Bidang data kuantum
Bidang data kuantum adalah inti dari komputer kuantum dan mencakup qubit
fisik, serta struktur yang diperlukan untuk menahannya di tempat.
Bidang kontrol dan pengukuran
Bidang kontrol dan pengukuran mengubah sinyal digital menjadi sinyal
kontrol analog atau gelombang. Sinyal analog ini melakukan operasi pada qubit
di bidang data kuantum.
Bidang prosesor kontrol dan prosesor host
Bidang prosesor kontrol mengimplementasikan algoritme kuantum atau
urutan operasi. Prosesor host berinteraksi dengan perangkat
lunak kuantum dan menyediakan sinyal digital atau urutan bit klasik ke bidang
kontrol dan pengukuran.
Perangkat lunak kuantum
Perangkat lunak kuantum
mengimplementasikan algoritme kuantum unik menggunakan sirkuit kuantum. Sirkuit
kuantum adalah rutinitas komputasi yang menentukan serangkaian operasi kuantum
logis pada qubit yang mendasarinya. Developer dapat menggunakan berbagai alat
pengembangan perangkat lunak dan pustaka untuk mengodekan algoritme kuantum.
Apa saja tipe teknologi kuantum?
Tidak ada yang menunjukkan cara terbaik untuk membangun komputer kuantum
yang toleran terhadap kesalahan, dan banyak perusahaan serta grup penelitian
sedang menyelidiki berbagai tipe qubit. Kami memberikan contoh singkat dari
beberapa teknologi qubit di bawah ini.
Prosesor perangkap ion berbasis gerbang
Komputer kuantum
berbasis gerbang adalah perangkat yang mengambil data input dan mengubahnya
sesuai dengan operasi kesatuan yang telah ditentukan sebelumnya. Operasi
tersebut biasanya diwakili oleh sirkuit kuantum, dan analog dengan operasi
gerbang dalam elektronik tradisional. Namun, gerbang kuantum sama sekali
berbeda dari gerbang elektronik.
Komputer kuantum ion
yang terperangkap mengimplementasikan qubit dengan menggunakan keadaan
elektronik dari atom-atom bermuatan yang disebut Ion. Ion dibatasi dan ditangguhkan
di atas perangkap mikrofabrikasi menggunakan medan elektromagnetik. Sistem
berbasis ion terperangkap menerapkan gerbang kuantum menggunakan laser untuk
memanipulasi keadaan elektronik ion. Qubit ion yang terperangkap
menggunakan atom yang berasal dari alam, alih-alih membuat qubit secara
sintetis.
Prosesor superkonduktor berbasis gerbang
Superkonduktivitas
adalah seperangkat sifat fisik yang dapat Anda amati pada bahan tertentu
seperti merkuri dan helium pada suhu yang sangat rendah. Dalam bahan-bahan ini,
Anda dapat mengamati suhu kritis karakteristik di bawah, yang mana hambatan
listriknya adalah nol dan medan fluks magnet dikeluarkan. Arus listrik
melalui loop kawat superkonduktor dapat bertahan tanpa batas
waktu dan tanpa sumber daya.
Komputasi kuantum
superkonduktor adalah implementasi dari komputer kuantum dalam sirkuit
elektronik superkonduktor. Qubit superkonduktor dibangun dengan sirkuit listrik
superkonduktor yang mampu bekerja pada suhu kriogenik.
Prosesor fotonik
Prosesor fotonik
kuantum adalah perangkat yang memanipulasi cahaya untuk perhitungan. Komputer
kuantum fotonik menggunakan sumber cahaya kuantum yang memancarkan squeezed-light
pulses, dengan ekuivalen qubit yang sesuai dengan mode
operator berkelanjutan, seperti posisi atau momentum.
Prosesor atom netral
Teknologi qubit atom
netral mirip dengan teknologi ion terperangkap. Namun, teknologi ini
menggunakan cahaya alih-alih gaya elektromagnetik untuk menjebak qubit dan
menahannya di posisi. Atom tidak bermuatan dan sirkuit dapat beroperasi pada
suhu kamar
Prosesor atom Rydberg
Atom Rydberg adalah
atom tereksitasi dengan satu atau beberapa elektron yang rata-rata lebih jauh
dari nukleus. Atom Rydberg memiliki sejumlah sifat aneh termasuk respons
berlebihan terhadap medan listrik dan magnet, serta berumur panjang. Saat
digunakan, qubit menawarkan interaksi atom yang kuat dan dapat dikontrol yang
dapat Anda sesuaikan dengan memilih keadaan yang berbeda.
Annealer kuantum
Anil kuantum menggunakan proses fisik untuk menempatkan qubit sistem
kuantum dalam energi absolut minimum. Dari sana, perangkat keras secara
perlahan mengubah konfigurasi sistem sehingga lanskap energinya mencerminkan
masalah yang perlu dipecahkan. Keuntungan dari annealer kuantum
adalah jumlah qubit dapat jauh lebih besar daripada yang tersedia dalam sistem
berbasis gerbang. Namun, penggunaannya terbatas pada kasus-kasus tertentu saja.
Bagaimana cara perusahaan menggunakan komputasi kuantum?
Komputasi kuantum dapat
merevolusi industri. Kami memberikan beberapa contoh kasus penggunaan di bawah
ini:
ML
Machine learning (ML) adalah
proses menganalisis sejumlah besar data untuk membantu komputer membuat
prediksi dan keputusan yang lebih baik. Penelitian dalam komputasi kuantum
mempelajari batas fisik dari pemrosesan informasi dan membuka jalan baru dalam
fisika fundamental. Penelitian ini mengarah pada kemajuan di berbagai bidang
ilmu pengetahuan dan industri, seperti kimia, optimasi, dan simulasi molekuler.
Penelitian ini juga merupakan area minat yang berkembang untuk layanan keuangan
untuk memprediksi pergerakan pasar dan meningkatkan operasi bagi manufaktur.
Optimasi
Komputasi kuantum dapat meningkatkan penelitian dan pengembangan,
optimasi rantai pasokan, dan produksi. Misalnya, Anda dapat menerapkan
komputasi kuantum untuk mengurangi biaya terkait proses manufaktur dan
mempersingkat waktu siklus dengan mengoptimalkan elemen seperti perencanaan
jalur dalam proses yang kompleks. Aplikasi lainnya adalah optimalisasi kuantum
portofolio pinjaman sehingga pemberi pinjaman dapat membebaskan modal,
menurunkan suku bunga, dan meningkatkan penawaran mereka.
Simulasi
Upaya komputasi yang diperlukan untuk menyimulasikan sistem secara akurat berskala eksponensial dengan kompleksitas molekul dan bahan obat. Meskipun menggunakan metode aproksimasi, superkomputer saat ini tidak dapat mencapai tingkat akurasi yang diinginkan oleh simulasi ini. Komputasi kuantum memiliki potensi untuk memecahkan beberapa masalah komputasi paling menantang yang dihadapi dalam kimia, yang memungkinkan komunitas ilmiah untuk melakukan simulasi kimia yang sulit dilakukan saat ini. Misalnya, Pasqalmembangun perangkat lunak komputasional QUBEC mereka untuk menjalankan simulasi kimia. QUBEC mengotomatiskan pengangkatan beban berat yang diperlukan untuk menjalankan tugas komputasi kuantum mulai dari penyediaan otomatis infrastruktur komputasi hingga menjalankan perhitungan klasik sebelum dan sesudah pemrosesan, serta melakukan tugas mitigasi kesalahan.
Bagaimana Anda dapat memulai komputasi kuantum?
Jika Anda ingin mencoba komputasi kuantum, Anda dapat memulai dengan
emulator perangkat keras kuantum di mesin lokal Anda. Emulator adalah perangkat
lunak biasa yang meniru perilaku kuantum pada komputer klasik. Emulator dapat
diprediksi dan memungkinkan Anda untuk melihat keadaan kuantum. Emulator
berguna jika Anda ingin menguji algoritme sebelum berinvestasi dalam waktu
perangkat keras kuantum. Namun, emulator tidak dapat menciptakan kembali
perilaku kuantum nyata.
Anda juga dapat menggunakan layanan komputasi kuantum cloud untuk membuat kode pada komputer kuantum sejati tanpa berinvestasi dalam perangkat keras yang mahal.
