Komputer Quantum
Komputer Quantum
Komputer Quantum adalah alat hitung yang menggunakan sebuah fenomena mekanika kuantum, misalnya superposisi dan keterkaitan, untuk melakukan operasi data. Dalam komputasi klasik, jumlah data dihitung dengan bit; dalam komputer kuantum, hal ini dilakukan dengan qubit.
Prinsip dasar komputer kuantum adalah bahwa sifat kuantum dari partikel
dapat digunakan untuk mewakili data dan struktur data, dan bahwa
mekanika kuantum dapat digunakan untuk melakukan operasi dengan data
ini. Dalam hal ini untuk mengembangkan komputer dengan sistem kuantum
diperlukan suatu logika baru yang sesuai dengan prinsip kuantum.
Ide mengenai komputer kuantum ini berasal dari beberapa fisikawan
antara lain Charles H. Bennett dari IBM, Paul A. Benioff dari Argonne
National Laboratory, Illinois, David Deutsch dari University of Oxford,
dan Richard P. Feynman dari California Institute of Technology
(Caltech).
Pada awalnya Feynman mengemukakan idenya mengenai sistem kuantum yang
juga dapat melakukan proses penghitungan. Fenyman juga mengemukakan
bahwa sistem ini bisa menjadi simulator bagi percobaan fisika kuantum.
Selanjutnya para ilmuwan mulai melakukan riset mengenai sistem
kuantum tersebut, mereka juga berusaha untuk menemukan logika yang
sesuai dengan sistem tersebut. Sampai saat ini telah dikemukaan dua
algoritma baru yang bisa digunakan dalam sistem kuantum yaitu algoritma shor dan algoritma grover.
Walaupun komputer kuantum masih dalam pengembangan, telah dilakukan eksperimen dimana operasi komputasi kuantum dilakukan atas sejumlah kecil Qubit. Riset baik secara teoretis maupun praktik terus berlanjut dalam laju yang cepat, dan banyak pemerintah nasional dan agensi pendanaan militer mendukung riset komputer kuantum untuk pengembangannya baik untuk keperluan rakyat maupun masalah keamanan nasional seperti kriptoanalisis.
Telah dipercaya dengan sangat luas, bahwa apabila komputer kuantum
dalam skala besar dapat dibuat, maka komputer tersebut dapat
menyelesaikan sejumlah masalah lebih cepat daripada komputer biasa.
Komputer kuantum berbeda dengan komputer DNA
dan komputer klasik berbasis transistor, walaupun mungkin komputer
jenis tersebut menggunakan prinsip kuantum mekanik. Sejumlah arsitektur
komputasi seperti komputer optik
walaupun menggunakan superposisi klasik dari gelombang elektromagnetik,
namun tanpa sejumlah sumber kuantum mekanik yang spesifik seperti keterkaitan, maka tak dapat berpotensi memiliki kecepatan komputasi sebagaimana yang dimiliki oleh komputer kuantum.
Qubit
Proses komputasi dilakukan pada partikel ukuran nano yang
memiliki sifat mekanika quantum, maka satuan unit informasi pada
Komputer Quantum disebut quantum bit, atau qubit. Berbeda dengan bit
biasa, nilai sebuah qubit bisa 0, 1, atau superposisi dari keduanya. State dimana qubit diukur adalah sebagai vektor atau bilangan kompleks. Sesuai tradisi dengan quantum states lain, digunakan notasi bra-ket untuk merepresentasikannya.
Pure qubit state adalah superposisi liner dari kedua state tersebut. Lebih jelasnya, sebuah pure qubit state dapat direpresentasikan oleh kombinasi linear dari state|0> dan state |1> :
Dengan α dan β adalah amplitudo probabilitas yan dapat berupa angka kompleks. α dan β dibatasi oleh persamaan:
State space dari sebuah qubit secara geometri dapat direpresentasikan Bloch sphere:
Gambar 1 : Representasi Qubit dengan Bloch Sphere
Ini adalah ruang 2 dimensi yang merupakan geometri untuk permukaan bola. Dibandingkan bit
konvensional yang hanya dapat beradai di salah satu kutub, Qubit
dapat berada dimana saja dalam permukaan bola. Untuk penerapan fisiknya,
semua sistem 2 level, selama ukurannya cukup kecil untuk hukum mekanika
quantum berlaku. Berbagai jenis implementasi fisik telah dikemukakan,
contohnya antara lain: polarisasi cahaya, spin elektron, muatan listrik,
dll.
Superposisi quantum adalah inti perbedaan antara qubit dengan bit
biasa. Dalam keadaan superposisi, sebuah qubit akan bernilai |0> dan
|1> pada saat bersamaan. Menurut interpretasi Copenhagen, bila
dilakukan pengukuran terhadap qubit, maka hanya akan muncul satu state
saja. State lainnya “kolaps” dalam arti hancur dan tidak mungkin diambil
kembali.
Pemanfaatan sifat superposisi qubit ini adalah Paralellisme Quantum.
Paralelisme Quantum muncul dari kemampuan quantum register untuk
menyimpan superposisi dari base state. Maka setiap operasi pada register berjalan pada semua kemungkinan dari superposisi secara simultan. Karena jumlah state yang
mungkin adalah 2n, dengn n adalah jumlah qubit pada quantum register,
kita dapat melakukan pada komputer quantum satu kali operasi yang
membutuh kan waktu eksponensial pada komputer konvensional. Kelemahan
dari metode ini adalah, semakin besar base state yang bersuperposisi,
semakin kecil kemungkinan hasil pengukuran dari nilai hasil pengukuran
tersebut benar. Kelemahan ini membuat pararellisme quantum tidak berguna
bila operasi dilakukan pada nilai yang spesifik. Namun kelemahan ini
tidak begitu berpengaruh pada fungsi yang memperhitungkan nilai dari
semua input, bukan hanya satu. Sebagaimana ditunjukkan pada Algoritma
Shor.
Komputer quantum dapat mengenai sasaran hidrogen
Suatu komputer quantum dasar berhasil memecahkan salah satu pekerjaan
penuh tantangan yang dihadapi ahli kimia sekarang ini –
mengkalkulasikan energi molekular dari prinsip – prinsip dasar ilmmiah.
Meskipun dengan mengetahui energi molekul dapat membantu
memprediksikan tingkat reaksi, namun tenaga komputer tetap perlu dan
kompleksitas dalam mengerjakannya dari prinsip utama mendorong para ahli
kimia menggunakan perkiraan, yang mungkin tidak akurat. Andrew White
dari Universitas Queensland, Australia, menjelaskan bahwa studi1 pada
tahun 2005 mengkalkulasikan model penuh untuk hidrogen dan helium,
tetapi tidak dapat berbuat jauh. ‘Mereka mengatakan bahwa lithium yang
nantinya dapat dilihat kelihatannya tidak mungkin,’ kata dia. ‘Jika anda
mengambil suatu molekul dengan 100 elektron, anda bahkan tidak dapat
memecahkannya dimana dengan menggunakan setiap komputer di dunia sekali
waktu.’
Sekarang, White dan koleganya telah menciptakan suatu komputer yang
mengeksploitasi perilaku eksotik dari sistem mekanis quantum untuk
memecahkan beberapa permasalahan tersebut2. Pada suatu sistem, tenaga
komputasional meningkat exponentially dengan setiap bit quantum ekstra,
atau qubit, dengan memparalelkan kebutuhan mengkalkulasikan energi
molekular. White menekankan bahwa seberapa menggembirakannya pendekatan
ini terhadap ilmu kimia adalah: ‘Di sutau tempat 20 tahun nantinya kita
tentunya akan mempunyai sistem dengan qubit 10 hingga ratusan, dimana
anda bisa “membobol bank”, memperluas tenaga komputasional di dunia,’
prediksinya.
Komputer quantum yang digunakan oleh White dan koleganya untuk mengkalkulasikan energi molekular hidrogen
Sistem dari timnya White berkharakteristikan hanya dua qubit, dalam bentuk photon
yang diciptakan secara simultan dengan menyinarkan sinar laser kedalam
kristal. Mereka memproses hal tersebut melalui suatu gerbang
logika quantum yang juga dikembangkan di Queensland, dengan menggunakan
pengkomputeran algoritma quantum yang dikembangkan oleh para kolaborator
dari Universitas Harvard di Amerika Serikat untuk mengkalkulasikan
energi molekular hidrogen. Komputer ini membalikkan -535.58±0.03kJmol-1
energi dalam keadaan dasar pada suatu ikatan equilibrium dengan panjang 73.48pm, sesuai sepenuhnya dengan hasil yang didapatkan pada komputer konvensional.
Para ilmuwan harus bergantung pada komputer biasa untuk melakukan
beberapa bagian algoritma, suatu fakta yang sekarang ini membatasi
pendekatan tersebut terhadap beberapa molekul yang sangat kecil. Mereka
memperkirakan bahwa untuk mereproduksi simulasi hidrogen dalam suatu
cara yang dapat diskalakan akan membutuhkan empat qubit dan 522 gerbang
yang sempurna. Sementara komputer dengan empat qubit sekarang ini
sangatlah mungkin, White menegaskan bahwa suatu sistem dengan 522
gerbang tidaklah mungkin.
Paul Sherwood, pimpinan Science and Technology Facilities Council Inggris,kelompok
komputasional ilmu kimia menyebut ini sebagai ‘suatu langkah maju yang
signifikan’. ‘Sementara beberapa tantangan teknologi tetap ada,
terobosan dalam pekerjaan ini memberikan prospek yang menggembirakan
dimana ahli kimiawi generasi selanjutnya akan memiliki akses pada
simulasi kimiawi quantum yang sangat akurat, bebas dari berbagai
perkiraan – perkiraan kompleks yang diperlukan sekarang ini,’ kata dia.
Operasi dari suatu komputer quantum
menggunakan ion sebagai bit kuantum. (Analog dari bit digital yang
terkait dengan informasi on dan off atau 1 dan 0). Struktur pemerangkap
ion hanyalah satu komponen yang analog dengan kawat penghubung dalam
komputer yang digunakan saat ini. Berkas-berkas laser diperlukan untuk
mengendalikan dan menggunakan data kuantum sebagaimana
transistor-transistor berfungsi terhadap bit-bit data digital yang kita
kenal.
Terbuat dari suatu lapisan kwarsa (quartz) yang dilapisi
emas dalam bentuk oval berukuran sekitar 2 mm x 4 mm, pemerangkap ion
racetrack hasil rancangan kelompok NIST menampung 150 daerah kerja
dimana bit-bit kuantum atau representasi spin dari ion-ion dapat
disimpan dan dipindahkan dengan bantuan medan listrik dan dikendalikan
dengan berkas-berkas laser untuk memroses informasi. Secara teori,
pemerangkap ion tersebut dapat diperbesar hingga daya tampung daerah
kerja jauh lebih besar dan dapat diproduksi secara masal dalam berbagai
material.
0 komentar:
Posting Komentar