Robot Pembersih Lantai
Beranda Teknologi Komputasi Quantum Akan Mengubah Dunia, Inilah yang Dimaksudkan

Komputasi Quantum Akan Mengubah Dunia, Inilah yang Dimaksudkan

2786
BAGIKAN
TheDigitalArtist/Pixabay

Dunia sains dan teknologi telah banyak menantikan kehadiran komputer kuantum selama bertahun-tahun, namun perangkat tersebut belum mempengaruhi kehidupan kita sehari-hari. Sistem kuantum dapat dengan mudah mengenkripsi data, membantu kita memahami jumlah data yang sangat besar yang telah kita kumpulkan, dan memecahkan masalah kompleks yang bahkan bagi sehebat superkomputer paling kuat sekalipun – seperti diagnostik medis dan prediksi cuaca.

Masa depan kuantum yang samar-samar ini menjadi selangkah lebih dekat pada bulan November tahun lalu, ketika jurnal Nature tingkat atas menerbitkan dua makalah yang menunjukkan beberapa sistem kuantum paling maju.

Jika Anda masih tidak mengerti apa itu komputer kuantum, apa yang dilakukannya, atau apa yang bisa dilakukan untuk Anda, jangan khawatir. Futurism telah melakukan perbincangan dengan Mikhail Lukin , seorang profesor fisika di Harvard University dan penulis senior salah satu makalah tersebut, tentang keadaan komputasi kuantum saat ini, kapan kita mungkin memiliki teknologi kuantum di telepon atau meja kita, dan apa yang diperlukan untuk itu agar terjadi

Futurism: Pertama, dapatkah Anda memberi saya penjelasan sederhana tentang bagaimana cara kerja komputasi kuantum?

Mikhail Lukin: Mari kita mulai dengan bagaimana komputer klasik bekerja. Di komputer klasik, Anda merumuskan masalah yang ingin Anda selesaikan dalam bentuk beberapa masukan, yang pada dasarnya adalah aliran 0s dan 1s. Bila Anda ingin melakukan beberapa perhitungan, pada dasarnya Anda menciptakan seperangkat aturan tertentu bergantung pada bagaimana arus ini benar-benar bergerak. Begitulah proses perhitungan – penambahan, perkalian, terserah.

Tapi kita sudah tahu lebih dari 100 tahun bahwa dunia mikroskopis kita pada dasarnya mekanika kuantum. Dan dalam mekanika kuantum, Anda bisa memiliki sistem. Komputer Anda, misalnya, atau kursi Anda dapat ditempatkan di dua negara bagian yang berbeda sekaligus – itulah gagasan superposisi kuantum. Dengan kata lain, komputer Anda bisa bersamaan baik di Boston maupun di New York. Jadi superposisi kuantum ini, meski kedengarannya sangat aneh, diperbolehkan oleh hukum mekanika kuantum. Dalam skala besar, seperti contoh yang saya berikan, itu jelas sangat aneh. Tapi di dunia mikroskopis, seperti dengan atom tunggal, menciptakan keadaan superposisi semacam ini sebenarnya sangat umum terjadi. Jadi dengan melakukan eksperimen ilmiah ini, ilmuwan membuktikan bahwa satu atom berada di dua negara yang berbeda sekaligus.

Gagasan komputer kuantum pada dasarnya menggunakan aturan mekanika kuantum tersebut untuk memproses informasi. Ini cukup mudah untuk memahami bagaimana ini bisa begitu kuat. Di komputer klasik, Anda memberi saya masukan tertentu, saya memasukkannya ke dalam komputer saya, saya memberi Anda sebuah output. Tetapi jika perangkat keras kita adalah mekanika kuantum, bukan hanya secara berurutan memberikan beberapa masukan dan pembacaan jawabannya, saya dapat mempersiapkan komputer terdaftar dalam superposisi kuantum dari banyak jenis input yang berbeda.

Ini berarti bahwa jika saya mengambil keadaan superposisi ini dan mengolahnya menggunakan hukum mekanika kuantum, saya dapat memproses banyak masukan sekaligus. Ini bisa berpotensi melakukan percepatan eksponensial, dibandingkan dengan program klasik.

F: Seperti apa komputer kuantum?

ML: Jika Anda masuk ke sebuah ruangan dengan mesin kuantum Kami, Anda akan melihat sel vakum atau tabung dan sekumpulan laser yang bersinar ke dalamnya. Di dalamnya kita memiliki kepadatan atom yang sangat rendah. Kami menggunakan laser untuk memperlambat gerakan atom hingga mendekati nol mutlak, yang disebut pendinginan laser.

F: Jadi bagaimana anda memprogramnya?

ML : Untuk memprogram komputer kuantum, kami menyoroti seratus sinar laser yang terfokus ke dalam ruang vakum ini. Masing-masing sinar laser ini bertindak sebagai pinset optik, menyambar satu atom atau tidak. Kami memiliki perangkap atom ini, yang masing-masing dimuat atau kosong. Kemudian kami mengambil gambar atom-atom ini dalam perangkap ini, dan kami mengetahui perangkap mana yang penuh dan mana yang kosong. Kemudian kami mengatur ulang jebakan yang mengandung atom tunggal dalam pola apapun yang kita inginkan. Susunan atom tunggal yang diinginkan ini, yang masing-masing dipegang dan dikendalikan secara individual, diposisikan pada dasarnya sesuai keinginan.

Memposisikan atom-atom ini adalah salah satu cara agar kita dapat memprogramnya. Untuk benar-benar mengontrol qubit, kita dengan lembut, hati-hati, mendorong atom dari keadaan energi terendah ke keadaan energi yang lebih tinggi. Kami melakukan ini dengan sinar laser yang dipilih dengan cermat yang menembak satu transisi tertentu. Frekuensi mereka sangat dikontrol dengan ketat. Dalam keadaan tereksitasi ini, atom benar-benar menjadi sangat besar dan, karena ukuran atom ini, atom mulai berinteraksi atau – dengan kata lain – saling berbicara satu sama lain. Dengan memilih keadaan dimana kita mengeksitasi atom dan memilih pengaturan dan posisi mereka, kita kemudian dapat memprogram interaksi dengan cara yang sangat terkendali.

F: Aplikasi macam apakah komputer kuantum yang paling berguna?

ML: Sejujurnya, kita benar-benar tidak tahu jawabannya. Ini umumnya dipercaya bahwa komputer kuantum tidak akan selalu membantu semua tugas komputasi. Tapi ada masalah matematis yang sulit bahkan untuk komputer klasik terbaik sekalipun. Mereka biasanya melibatkan beberapa masalah yang kompleks, seperti masalah yang melibatkan pengoptimalan kompleks di mana Anda mencoba untuk memenuhi sejumlah kendala yang kontradiktif.

Misalkan Anda ingin memberi semacam hadiah kolektif kepada sekelompok orang, masing-masing memiliki ceruk sendiri. Beberapa ceruk mungkin kontradiktif. Jadi apa yang terjadi adalah, jika Anda menyelesaikan masalah ini secara klasik, Anda harus memeriksa setiap pasangan atau triplet orang untuk memastikan setidaknya ceruk mereka terpuaskan. Kompleksitas masalah ini tumbuh dalam ukuran, sangat sangat cepat karena jumlah kombinasi klasik yang perlu Anda periksa bersifat eksponensial. Ada beberapa keyakinan bahwa untuk beberapa masalah ini, komputer kuantum dapat menawarkan beberapa keuntungan.

Contoh lain yang sangat terkenal adalah pemfaktoran. Jika Anda memiliki jumlah kecil, seperti 15, jelas bahwa faktornya adalah 3 dan 5, tapi ini adalah jenis masalah yang sangat cepat menjadi rumit seiring bertambahnya jumlah. Jika Anda memiliki jumlah besar yang merupakan produk dari dua faktor besar, secara klasik hampir tidak ada cara yang lebih baik untuk menemukan faktor-faktor ini daripada hanya mencoba angka dari satu, dua, tiga, dan seterusnya. Tapi ternyata algoritma kuantum bisa, yang disebut algoritma Shor, yang dapat menemukan faktor yang secara eksponensial lebih cepat daripada algoritma klasik yang paling dikenal. Jika Anda bisa melakukan sesuatu secara eksponensial lebih cepat daripada menggunakan pendekatan alternatif, maka itu adalah keuntungan besar.

F: Sepertinya misi Anda, dan orang lain di bidang Anda, adalah untuk membantu kemajuan dan pemahaman kita tentang teknologi ini, namun aplikasinya agak sekunder dan akan datang bila Anda memiliki alatnya. Apakah itu nampak benar?

ML: Saya akan menjawab pertanyaan anda dengan sebuah analogi. Ketika komputer klasik pertama kali dikembangkan, kebanyakan digunakan untuk melakukan perhitungan ilmiah, eksperimen numerik untuk memahami bagaimana sistem fisik yang kompleks berperilaku. Saat ini, mesin kuantum berada pada tahap perkembangan ini. Mereka sudah memungkinkan kita untuk mempelajari fenomena fisik kuantum yang kompleks. Mereka berguna untuk tujuan ilmiah, dan para ilmuwan sudah melakukannya sekarang.

Sebenarnya, satu arti penting makalah kita [diterbitkan di Nature ] adalah bahwa kita telah membangun mesin, yang cukup besar, dan cukup kompleks, dan kuantum cukup untuk melakukan eksperimen ilmiah yang sangat sulit untuk dilakukan bahkan pada kemungkinan yang terbaik dari komputer klasik sekalipun – dasarnya superkomputer. Dalam pekerjaan kami, kami telah menggunakan mesin kami untuk membuat penemuan ilmiah, yang belum dibuat sampai sekarang sebagian karena sangat sulit bagi komputer klasik untuk memodelkan sistemnya. Dalam beberapa hal, kita sekarang melintasi ambang batas di mana mesin kuantum menjadi berguna, setidaknya untuk tujuan ilmiah.

Ketika komputer klasik dikembangkan, orang memiliki beberapa gagasan tentang algoritma untuk dijalankan pada mereka. Tapi sebenarnya ternyata saat komputer pertama dibangun, orang bisa mulai bereksperimen dengan komputer dan menemukan banyak algoritma yang efisien dan praktis. Dengan kata lain, itu benar ketika mereka menemukan apa komputer tersebut sebenarnya bisa bermanfaat.

Itu sebabnya saya mengatakan bahwa kita benar-benar tidak tahu sekarang tugas komputer kuantum yang akan sangat berguna. Satu-satunya cara untuk menemukan tugas ini adalah dengan membangun mesin kuantum yang besar dan fungsional untuk mencoba hal-hal tersebut. Itu adalah tujuan penting, dan saya harus mengatakan bahwa kita memasuki fase ini sekarang. Kita sangat sangat dekat dengan tahap ketika kita dapat mulai bereksperimen dengan algoritma kuantum pada mesin skala besar

F: Ceritakan sedikit tentang makalah Nature Anda . Apa sebenarnya kemajuan di sini? Dan seberapa dekat kita bisa mulai menemukan algoritma yang bisa bekerja pada komputer kuantum?

ML: Jadi pertama mari kita bicara tentang bagaimana seseorang bisa mengukur mesin kuantum. Hal itu bisa dilakukan di sepanjang tiga sumbu berbeda. Pada satu sumbu adalah skala – berapa banyak qubit [sebuah “bit kuantum,” unit yang membentuk dasar komputer kuantum seperti yang dilakukan “bit” dalam komputasi klasik]. Lebih banyak lebih baik. Sumbu lain adalah tingkat kuantum, yaitu seberapa koherennya sistem ini. Jadi akhirnya, cara untuk mengukurnya adalah jika Anda memiliki sejumlah qubit tertentu, dan Anda melakukan beberapa perhitungan dengan itu, berapakah probabilitas perhitungan ini bebas dari kesalahan?

Jika Anda memiliki qubit tunggal, Anda memiliki sedikit kesempatan untuk membuat kesalahan. Begitu Anda memiliki banyak dari jumlah qubit, probabilitas ini lebih tinggi secara eksponensial. Jadi, sistem yang dijelaskan di makalah kami, dan juga di artikel pelengkap, memiliki qubit yang cukup besar dan cukup koheren sehingga pada dasarnya kita dapat melakukan keseluruhan rangkaian perhitungan dengan probabilitas kesalahan yang cukup rendah. Dengan kata lain, dalam jumlah yang terbatas mencoba, kita dapat memiliki hasil yang tidak memiliki kesalahan.

Tapi ini masih belum lengkap ceritanya. Sumbu ketiga adalah seberapa baik Anda bisa memprogram mesin ini. Pada dasarnya jika Anda bisa membuat setiap qubit berbicara dengan qubit lain dengan cara yang sewenang-wenang, Anda juga dapat mengkodekan masalah kuantum ke mesin ini. Mesin semacam itu kadang disebut komputer kuantum universal. Mesin kami tidak sepenuhnya universal, tapi kami menunjukkan tingkat kemampuan program yang sangat tinggi. Kita sebenarnya bisa mengubah konektivitas dengan sangat cepat. Ini pada akhirnya, adalah apa yang memungkinkan kita untuk menyelidiki dan membuat penemuan baru tentang fenomena kuantum yang rumit ini.

F: Mungkinkah komputer kuantum diperkecil seukuran telepon, atau sesuatu yang semi portabel di beberapa titik?

ML: Itu bukan pertanyaan. Ada beberapa cara untuk mengemasnya sehingga bisa benar-benar menjadi portable dan berpotensi bisa cukup miniatur, mungkin tidak sampai seukuran handphone, tapi mungkin komputer desktop. Tapi itu tidak bisa dilakukan sekarang juga.

F: Menurut Anda, seperti komputer klasik, komputer kuantum akan membuat perubahan dari penemuan ilmiah hanya sampai rata-rata pengguna dalam waktu sekitar 30 tahun?

ML: Jawabannya ya, tapi kenapa 30 tahun? Itu bisa terjadi lebih cepat.

F: Apa yang harus terjadi antara sekarang? Kemajuan seperti apa yang perlu dilakukan untuk membawa kita ke sana?

ML: Saya pikir kita perlu memiliki komputer yang cukup besar untuk mulai benar-benar mencari tahu apa yang bisa mereka gunakan. Kami belum tahu apa yang komputer kuantum mampu lakukan, jadi kami tidak tahu potensi penuh mereka. Saya pikir tantangan berikutnya adalah melakukan itu.

Tahap selanjutnya adalah rekayasa dan pembuatan mesin yang bisa digunakan mungkin untuk menargetkan beberapa aplikasi khusus. Orang-orang, termasuk [tim saya], sudah mengerjakan pengembangan beberapa perangkat kuantum skala kecil, yang dirancang untuk, misalnya, pembantu dalam diagnostik medis. Dalam beberapa aplikasi ini, sistem kuantum hanya mengukur medan listrik atau magnet kecil, yang memungkinkan Anda melakukan diagnostik dengan lebih efisien. Saya pikir hal-hal ini sudah datang, dan beberapa gagasan ini sudah dikomersialisasikan.

Maka mungkin, beberapa aplikasi yang lebih umum bisa dikomersialkan. Dalam prakteknya komputer kuantum dan komputer klasik kemungkinan akan bekerja bergandengan tangan. Sebenarnya, kemungkinan besar apa yang akan terjadi adalah bahwa sebagian besar pekerjaan dilakukan oleh komputer klasik, namun beberapa elemen, masalah yang paling sulit, dapat diatasi dengan mesin kuantum.

Ada juga bidang lain yang disebut komunikasi kuantum dimana pada dasarnya Anda dapat mentransfer keadaan kuantum antara stasiun yang jauh. Jika Anda menggunakan keadaan kuantum untuk mengirim informasi, Anda dapat membangun jalur komunikasi yang benar-benar aman. Selain itu, melalui jaringan kuantum yang disebut ini, terkadang disebut internet kuantum, kita harus bisa mengakses server kuantum dari jarak jauh. Dengan begitu, saya pasti bisa membayangkan banyak kemungkinan di mana komputer kuantum bisa masuk kehidupan sehari-hari, meski Anda tidak membawanya ke dalam saku sendiri.

F: Apa yang Anda ingin lebih banyak orang tahu tentang komputer kuantum?

ML: komputasi kuantum dan teknologi kuantum telah ada di berita untuk beberapa waktu. Kami ilmuwan tahu bahwa ini adalah area yang menarik. Ini benar-benar batas penelitian ilmiah di banyak sub-distrik. Selama lima sampai 10 tahun terakhir, kebanyakan orang beranggapan bahwa perkembangannya sangat futuristik. Mereka beranggapan bahwa akan memakan waktu lama sebelum kita membuat mesin kuantum yang berguna.

Saya pikir bukan itu kejadiannya. Menurut Saya kita sudah memasuki era baru dengan potensi yang luar biasa untuk penemuan ilmiah, yang mungkin memiliki aplikasi yang lebih luas untuk ilmu material, kimia – benar-benar sesuatu yang melibatkan sistem fisik yang kompleks. Tapi saya juga merasa kita segera akan mulai menemukan komputer kuantum yang bisa berguna untuk lingkup yang jauh lebih luas, mulai dari pengoptimalan hingga kecerdasan buatan dan mesin pembelajaran. Saya pikir hal-hal ini ada disekitarnya.

Kita belum tahu apa dan bagaimana komputer kuantum akan melakukannya, tapi kita akan segera tahu.