Bagaimana Komputasi Quantum Bekerja dan Mengapa Ini Penting

Komputer telah mengubah masyarakat secara radikal. Tak lama setelah berakhirnya Perang Dunia II, para ilmuwan menggunakan komputer untuk menyelesaikan segala macam masalah. Kemajuannya luar biasa cepat. Pada 1970-an, komputer rumah lahir.

Namun untuk semua kemajuan itu, beberapa masalah masih sangat sulit. Tidak peduli seberapa bagus komputer, tantangan seperti memfaktorkan jumlah besar atau mengoptimalkan rute kurir tetap sulit.

Tetapi bit bukan satu-satunya cara untuk menghitung. Mekanika kuantum - aturan yang mengatur dunia atom dan molekul - juga dapat digunakan untuk menghitung. Dan perhitungan itu dilakukan dengan cara yang sangat berbeda.

Harapannya adalah bahwa suatu hari "komputer kuantum" ini akan dapat memecahkan masalah yang sulit. Tetapi apakah sebenarnya komputer kuantum itu, dan bagaimana cara kerjanya?

16 komputer kuantum qubit dari IBM (IBM quantum experience)

Pandangan terperinci di bawah kap komputer kuantum mengungkapkan mengapa para peneliti begitu berharap bahwa komputer ini akan begitu kuat — dan tidak sekuat prosesor generasi baru dari Intel. Tidak, komputer kuantum praktis memiliki potensi untuk mengubah dunia. Perusahaan seperti D-Wave, IBM, dan Google, bersama dengan laboratorium penelitian di seluruh dunia, semua berlomba untuk menghasilkan komputer kuantum praktis pertama.

Apa yang Membuat Komputer Quantum Berbeda?

Untuk menggambarkan perbedaan antara komputasi kuantum dan tradisional, Daniel Lidar, seorang profesor kimia teori fisika di University of Southern California, menggunakan analogi berikut (yang telah saya modifikasi).

Bayangkan mencari bola hitam di kotak penuh bola putih, dan Anda tidak bisa melihat di dalam kotak. Untuk menemukan bola hitam, Anda mengambil bola secara membabi buta, memeriksa warnanya, dan membuangnya jika bukan hitam. Anda mungkin mengambil bola hitam pada percobaan pertama, atau Anda bisa memilih yang terakhir.

Hasil yang paling mungkin: Anda menghancurkan kotak dengan frustrasi.

Sekarang mari kita beralih ke algoritma kuantum. Tangan kuantum Anda menjangkau ke dalam kotak, tetapi mereka tidak mengambil bola. Alih-alih, tangan-tangan ini memiliki kemungkinan memilih masing-masing bola - termasuk bola hitam. Jika kotak memiliki 10 bola, tangan kuantum Anda memiliki 10 probabilitas yang sama.

Selanjutnya, Anda menjalankan algoritma kuantum yang meningkatkan probabilitas bahwa bola itu berwarna hitam. Setelah itu, Anda memeriksa tangan Anda: Mengecewakan, bola berwarna putih. Anda menjangkau kembali ke dalam kotak. Tapi kali ini probabilitasnya tidak sama: Peluang Anda menemukan bola hitam lebih tinggi sekarang daripada bola lainnya.

Seolah-olah upaya sebelumnya membuang bola ekstra putih bersama dengan yang Anda temukan. Ini terjadi untuk setiap upaya, sehingga peluang menemukan bola hitam meningkat dengan cepat. Kunci cara perubahan probabilitas ini adalah bagaimana keadaan kuantum — atau “qubit,” dalam kasus komputasi — dimanipulasi.

Status Superposisi Kuantum

Mari kita uraikan kisah kotak-bola untuk melihat bagaimana semua ini bekerja.

Tangan kuantum menjangkau ke dalam kotak dan meraih probabilitas. Dalam komputasi tradisional, informasi disimpan sebagai bit yang memiliki nilai tertentu. Bit adalah salah satu atau nol. Memeriksa nilai bit tidak memodifikasinya.

Tetapi qubit tidak secara langsung mewakili nilai bit; itu memegang probabilitas qubit menjadi satu atau nol. Ini disebut "keadaan superposisi kuantum."

Namun, ketika kami memeriksa nilai qubit, kami tidak mendapatkan probabilitas. Pengukuran mengungkapkan satu atau nol — pilihan ditentukan secara acak dari probabilitas superposisi. Mengukur menentukan nilai qubit. Jika kita mengukur qubit dan mendapatkan qubit, memeriksa lagi juga akan menghasilkan qubit.

Ketika kami mencapai ke dalam kotak, kami sebenarnya mengambil satu set qubit - cukup untuk mewakili semua bola. The qubit dimasukkan ke dalam status superposisi yang memiliki probabilitas untuk menemukan setiap bola. Karena pencarian benar-benar acak, setiap bola diwakili dengan probabilitas yang sama.

Sekarang kita menjalankan algoritma yang meningkatkan kemungkinan menemukan bola hitam.

Anda mungkin bertanya: Bagaimana Anda bisa meningkatkan probabilitas tanpa menyelinap puncak? Jawabannya terletak pada bagaimana qubit memiliki probabilitas. Probabilitas diwakili oleh angka antara nol dan satu. Tetapi qubit memiliki amplitudo probabilitas, yang bisa positif atau negatif.

Seperti yang dikatakan Lidar: “[T] di situlah ada perbedaan nyata. Tidak ada dugaan probabilitas negatif [dalam fisika klasik], itu tidak ada artinya ... Tetapi dalam kasus kuantum, kita dapat memiliki [a] amplitudo [probabilitas] negatif membatalkan amplitudo [probabilitas] positif. Melalui manipulasi interferensi inilah kita dapat mulai memahami bagaimana komputasi kuantum dapat memperoleh keuntungan. ”

Dua poin kunci disembunyikan dalam kutipan itu. Ketika amplitudo negatif bertemu dengan amplitudo positif, hasil bersih adalah sesuatu yang mendekati nol, sehingga probabilitas hasil tertentu turun; jika dua amplitudo positif bertemu, peluang hasil itu meningkat. Artinya, kita dapat memanipulasi probabilitas hasil tertentu tanpa mengukur qubit. (Ingat, membuat pengukuran akan menghancurkan negara superposisi.)

Lebih penting lagi, qubit dapat dibuat untuk melakukan ini untuk diri mereka sendiri. Ketika kita berbicara tentang amplitudo positif yang bertemu dengan amplitudo negatif, amplitudo ini mungkin berasal dari qubit yang sama. Dan jika itu tidak menyebabkan pikiran Anda bengkok dan berderit sedikit, tidak ada yang bisa.

Akibatnya, komputer kuantum dapat dengan cepat mengurangi kemungkinan mendapatkan jawaban yang salah dan meningkatkan peluang mendapatkan jawaban yang benar. Ini adalah sejenis trik yang digunakan komputer kuantum untuk meningkatkan kemungkinan menemukan bola yang tepat.

Proses Rawan Kesalahan

Untuk melakukan perhitungan, keadaan superposisi dari banyak qubit dimodifikasi. Tetapi di antara modifikasi yang disengaja, lingkungan juga mengubah keadaan superposisi. Kebisingan ini adalah musuh komputasi kuantum, menghancurkan keadaan superposisi hampir secepat kita dapat membuatnya.

Hasilnya adalah qubit tidak dapat diandalkan dan rentan terhadap kesalahan. Dan kesalahan-kesalahan itu harus ditemukan dan diperbaiki.

Ini bukan hal sepele. Seperti yang dikatakan Lidar: “[W] kita perlu menggunakan redundansi tingkat tinggi untuk memastikan bahwa perhitungan kuantum dapat dilakukan dengan benar. Jadi, lalu, apa overhead ini karena pengkodean? Yah, itu bisa sangat parah, bisa dengan faktor 1.000 atau 1.000.000. "

Dengan kata lain, setiap bit informasi dikodekan menjadi pasukan kecil qubit, bukan qubit tunggal.

Cara Membangun Komputer Quantum

Ada beberapa pendekatan dasar untuk membangun komputer kuantum. Pendekatan yang paling umum adalah seperti kita membangun komputer sekarang, yang disebut model rangkaian komputasi kuantum.

Setiap program dipecah menjadi serangkaian operasi logika tertentu, yang sebagian besar memodifikasi probabilitas amplitudo dari satu qubit, tergantung pada probabilitas amplitudo dari qubit kedua. Komputer kuantum berbasis sirkuit menerima set awal qubit dan melakukan setiap operasi dalam program secara berurutan. Setelah menjalankan program, status qubit dibaca untuk mendapatkan jawaban.

IBM membuat komputer kuantum semacam ini, dan Anda bahkan dapat bermain dengannya. Tetapi tidak berarti bahwa model sirkuit IBM atau lainnya akan menjadi standar. Memperbesar nomor qubit dan masa pakai hingga ukuran yang berguna bukanlah tugas yang mudah.

Perusahaan lain, seperti D-Wave dan Google, juga tertarik. Tetapi pendekatan mereka sangat berbeda dari IBM dan sebagian besar laboratorium penelitian. Pendekatan yang paling umum untuk membangun komputer kuantum adalah tetap dekat dengan ide-ide dari komputer normal: gerbang logika yang melakukan operasi berurutan. Tetapi juga memungkinkan untuk membuat komputer yang bekerja tanpa operasi logika langsung.

Pengoptimal kuantum D-Wave (D-Wave Inc.)

Perbedaan antara kedua pendekatan ini cukup mendalam. Di komputer yang menggunakan logika sekuensial, tata letak fisik komputer cukup sederhana, tetapi urutan operasi (atau program) bisa menjadi panjang dan rumit. Dengan mengabaikan logika berurutan, program menjadi sangat sederhana - pada kenyataannya, hampir tidak ada pemrograman - tetapi tata letak fisik menjadi sangat menantang, karena setiap qubit harus terhubung ke semua qubit lainnya.

Startup Kanada D-Wave telah menawarkan bentuk komputasi kuantum terbatas selama beberapa waktu, tetapi saat ini, prosesornya terlalu kecil untuk menghadapi masalah praktis. Tata letak prosesor D-Wave tidak menghubungkan semua qubit satu sama lain. Akibatnya, itu hanya dapat digunakan untuk memecahkan beberapa jenis masalah tetapi tidak yang lain.

Untuk memperumit masalah, tidak mungkin mengetahui dari kinerja komputer bahwa itu adalah komputer kuantum. Ini bisa menjadi komputer tradisional yang sangat efisien. Google dan Lidar (yang tidak bekerja untuk Google) menggunakan pendekatan yang mirip dengan D-Wave; Namun, perbedaannya adalah bahwa mereka bertujuan untuk mengontrol bagaimana qubit saling mempengaruhi. Dari itu, mereka berharap untuk membuktikan bahwa pendekatan ini mengarah ke komputer kuantum.

Masalah Mencari Solusi Quantum

Kebanyakan orang, jika mereka mengetahui komputer kuantum, mengaitkannya dengan memecahkan enkripsi. Kriptografi modern bergantung pada fakta bahwa sangat sulit untuk menemukan faktor prima dari jumlah yang sangat besar.

Komputer kuantum praktis akan, kemungkinan besar, mengakhiri itu. Tetapi ada aplikasi yang kurang menakutkan.

Yang paling menarik dalam pengembangan adalah menggunakan komputer kuantum untuk memecahkan masalah mekanika kuantum. Itu adalah aplikasi yang kemungkinan akan mengubah dunia.

Mekanika kuantum menjelaskan sifat-sifat bahan, dari kapas di pakaian Anda hingga fotosintesis pada tanaman. Bahkan dengan komputer tradisional yang paling kuat, sangat mustahil untuk menghitung sifat-sifat molekul mana pun yang mengandung lebih dari 30 atom. Sebaliknya, kami mengambil jalan pintas, yang tidak selalu berfungsi dengan baik.

Komputer kuantum bisa lebih tepat, jadi kita bisa lebih percaya diri dalam perhitungan itu. Para ilmuwan dapat membayangkan sifat-sifat yang jauh lebih aneh, seperti bahan yang dingin ketika terkena sinar matahari, dan kemudian menggunakan komputer kuantum untuk menentukan struktur yang diperlukan. Dan sifat aneh yang benar-benar mustahil dapat dihilangkan lebih cepat.

Seberapa Dekat Kita?

Komputer kuantum tiba secara teori dengan demonstrasi pertama pada 1990-an. Namun, rahasia Anda aman, dan Anda tidak akan menemukan komputer kuantum melakukan hal-hal jahat ke rekening bank Anda. Para peneliti seperti Lidar tidak mengharapkan komputer kuantum praktis untuk beberapa waktu.

Lidar mengatakan bahwa dengan 100 qubit di dunia di mana tidak ada kebutuhan untuk koreksi kesalahan kuantum, "Kami akan dapat mulai mensimulasikan sistem kuantum menggunakan komputer kuantum pada skala yang melampaui apa yang mungkin dengan komputer klasik paling kuat."

Tetapi para peneliti memiliki tujuan yang disebut, mengejutkan, supremasi kuantum. Terlepas dari namanya yang muluk-muluk, supremasi kuantum hanya menunjukkan bahwa masalah apa pun di luar kemampuan komputer tradisional, bahkan yang tanpa nilai praktis, dapat diselesaikan pada komputer kuantum.

Menunjukkan bahwa komputer kuantum dapat berkinerja seperti yang diperkirakan adalah langkah penting, dan yang tidak ada yang benar-benar yakin akan terjadi. Tetapi baru saat itulah kita benar-benar percaya bahwa komputer kuantum masa depan dapat memenuhi janji mereka.

Lidar mengharapkan untuk melihat komputer yang harus mampu mencapai supremasi kuantum dalam 12 bulan ke depan. Google, khususnya, tampaknya bertujuan untuk mencapai supremasi kuantum secepat mungkin, sementara IBM mengambil pendekatan yang lebih hati-hati.

Setelah itu, masa depan yang suram tapi menggairahkan menanti kita.