Komputer Kuantum
 |
Komputer kuantum 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.
Apa Itu Komputer Kuantum?
Mesin Turing,
yang dikembangkan oleh Alan Turing pada tahun 1930an, adalah perangkat teoretis
yang terdiri dari pita rekaman dengan panjang tak terbatas yang terbagi menjadi
kotak-kotak kecil. Setiap persegi bisa memiliki sebuah simbol (1 atau 0) atau
dibiarkan kosong. Perangkat baca-tulis yang ada saat itu akan membaca
simbol-simbol dan kekosongan ini, yang memberi mesin instruksi untuk melakukan
program tertentu.
dalam mesin Turing kuantum, perbedaannya adalah pita rekaman itu ada
dalam keadaan kuantum, seperti halnya kepala perangkat baca-tulis. Ini berarti
bahwa simbol pada pita itu bisa berupa 0 atau 1, atau superposisi 0 dan 1;
dengan kata lain simbol-simbolnya adalah 0 dan 1 (dan semua titik di antaranya)
pada saat bersamaan. Sementara mesin Turing biasa hanya bisa melakukan satu
perhitungan sekaligus, mesin Turing kuantum bisa melakukan banyak perhitungan
sekaligus.
Komputer modern yang ada saat ini, seperti mesin Turing, bekerja dengan
memanipulasi bit yang ada di salah satu dari dua keadaan ini: 0 atau 1.
Komputer kuantum tidak terbatas pada dua keadaan. Komputer kuantum mengkodekan
informasi sebagai quantum bits, atau qubit, yang biasa ditemukan dalam superposisi. Qubit
mewakili atom, ion, foton atau elektron dan perangkat kontrol yang bekerja
bersama sebagai memori komputer dan prosesor. Karena komputer kuantum dapat
menampung banyak keadaan dan perhitungan ini secara bersamaan, komputer kuantum
memiliki berpotensi untuk jadi jutaan kali lebih kuat daripada superkomputer
paling kuat yang ada saat ini.
Sejarah Komputer Kuantum
Gordon Moore, salah satu pendiri Intel, di
tahun 1960-an menyatakan bahwa jumlah transistor yang dapat dibuat dalam satu
mikroprosesor akan menjadi dua kali lipat setiap 18 bulan. Pernyataan ini
terkenal sebagai hukum Moore. Implikasi dari hukum Moore ini adalah kita dapat
terus meningkatkan kemampuan chip komputer dengan cara
menjejalkan transistor yang lebih banyak ke dalamnya. Hukum Moore terbukti
merupakan penanda yang akurat bagi perkembangan industri komputer selama
beberapa dekade belakangan.
Intel dan perusahaan komputer lainnya
mengalokasikan sumber daya yang sangat besar dalam riset untuk memastikan bahwa
hukum Moore tetap berlaku, sampai batas fisik absolut tercapai. Tetapi, ada
beberapa konsekuensi yang timbul dari hukum Moore. Seiring dengan menyusutnya
ukuran transistor dan chip, jumlah panas yang dihasilkan
dalam chipkomputer meningkat dan ada biaya yang sangat besar untuk
menghilangkan panas yang berpotensi merusak chip. Biaya ini tentu
saja menghambat perkembangan kemampuan komputer konvensional. Industri komputer
khawatir jika biaya penghilangan panas ini menjadi biaya utama dalam
memproduksi komputer di masa depan.
Hal lain yang menjadi perhatian adalah jika
ukuran chip mencapai skala nanometer (satu per triliun meter),
efek kuantum menjadi penting dan akan berpotensi sebagai sumber kesalahan dalam
komputasi. Implikasinya adalah akan sulit untuk membuat chip yang
bekerja dengan benar. Di sinilah ilmuwan mulai berimajinasi tentang adanya
komputer kuantum.
Konsep
awal tentang komputer yang beroperasi berdasarkan teori kuantum pertama kali
diajukan oleh fisikawan legendaris Amerika, Richard Feynman, pada tahun
1980-an. Feynman menyadari komputer klasik tidaklah efisien ketika dipakai
untuk mensimulasikan dinamika sistem kuantum. Hal ini menyiratkan pula bahwa
ketika komputer konvensional dipakai untuk melakukan simulasi dalam bidang
seperti kimia kuantum, fisika material terkondensasi, atau desain obat-obatan,
dibutuhkan kekuatan komputasi yang sangat besar.
Richard
Feynman mengajukan hipotesis jika sebuah komputer generasi baru yang beroperasi
berdasarkan fisika kuantum akan bekerja secara lebih efisien dibandingkan
dengan komputer klasik. Hipotesis Feynman saat itu belum dapat dibuktikannya
sendiri. Namun, hal ini telah membukakan pintu untuk eksplorasi potensi
kemampuan komputer yang berdasarkan prinsip-prinsip teori kuantum. Dari sini
dimulailah cerita eksplorasi komputer kuantum. Sebagai contoh, pada awal tahun
1990-an, David Deutsch, seorang fisikawan dari Inggris, dan Richard Josza,
seorang fisikawan dari Amerika Serikat, mengajukan algoritma kuantum untuk
pertama kalinya [Deutsch dan Josza, 1992]
Algoritma
kuantum Deutsch-Jozsa dapat dianalogikan dari cerita berikut ini. Misalkan kita
hendak membuat sakelar lampu untuk sebuah kamar mandi. Kita memutuskan bahwa
sakelar tersebut ditempatkan di luar kamar mandi, di samping pintu kamar mandi.
Tetapi, kita curiga bahwa rangkaian sakelar yang dipasang tukang listrik yang
kita bayar tidak bekerja dengan benar yang menyebabkan lampu kamar mandi selalu
hidup atau selalu mati, tidak peduli dengan posisi sakelar.
Untuk memeriksa apakah sakelar memang bekerja atau tidak, kita harus
mengubah posisi sakelar dua kali (sekali ondan sekali off) dan melihat ke
dalam kamar mandi setiap posisi sakelar berubah. Deutsch dan Josza menemukan
algoritma kuantum yang secara menakjubkan hanya memerlukan seseorang untuk
melihat ke dalam kamar mandi sekali saja untuk menentukan rangkaian saklar
bekerja atau tidak.
Riset dalam bidang komputer kuantum mulai berkembang dengan cepat ketika
riset Deutsch dan Josza diikuti oleh penemuan algoritma kuantum lainnya dari
fisikawan Amerika, Peter Shor. Algoritma Shor dapat menemukan faktor prima dari
bilangan bulat yang sangat besar (sampai ratusan digit) [Shor, 1999]. Implikasi
dari ditemukannya algoritma ini mempengaruhi banyak bidang, seperti dalam hal keamanan
internet dan transaksi online.
Sebagian besar skema kriptografi yang
digunakan sekarang bergantung kepada fakta bahwa komputer konvensional
memerlukan waktu jutaan tahun untuk menemukan faktor prima dari bilangan yang
sangat besar yang digunakan untuk memecahkan kode kriptografi. Namun, komputer
kuantum dengan algoritma Shor dapat dengan mudah dan cepat memecahkan kode
tersebut.
Perkembangan lainnya adalah ditemukannya algoritma kuantum untuk mencari
data tertentu dalam database yang sangat besar oleh Lev Grover.
Algoritma Grover membuat komputer kuantum dapat mencari informasi penting jauh
lebih cepat dari komputer klasik [Grover, 1996].
Prinsip Komputer Kuantum
Penerapan konsep superposisi atom merupakan salah satu inti dalam
komputasi kuantum. Atom memiliki konfigurasi spin. Spin atom bisa ke atas (up),
bisa pula ke bawah (down). Atom-atom akan berada dalam keadaan superposisi
(memiliki spin up dan down secara bersamaan) sampai kita melakukan
pengukuran. Tindakan pengukuran memaksa atom untuk ‘memilih’ salah satu dari
kedua kemungkinan itu. Ini berarti sesudah kita melakukan pengukuran, atom
tidak lagi berada dalam keadaan superposisi (decoherence). Atom yang
sudah mengalami pengukuran memiliki spin yang tetap: up atau down. Hal dapat
kita terapkan dengan mengibaratkan QUBIT sebagai atom.
Saat konsep ini diterapkan dalam komputer kuantum, keadaan
superposisi terjadi pada saat proses perhitungan sedang berlangsung. Sistem
perhitungan pada komputer kuantum ini berbeda dengan komputer digital. Komputer
digital melakukan perhitungan secara linier, sedangkan komputer kuantum
melakukan semua perhitungan secara bersamaan (karena ada multiple states semua
perhitungan dapat berlangsung secara simultan di semua state). Ini berarti ada
banyak kemungkinan hasil perhitungan. Untuk mengetahui jawabannya (hasil
perhitungannya) kita harus melakukan pengukuran qubit. Tindakan pengukuran
qubit ini menghentikan proses perhitungan dan memaksa sistem untuk ‘memilih’
salah satu dari semua kemungkinan jawaban yang ada.
 |
Secara teori, terdapat beberapa syarat dari komputer kuantum untuk
bisa berfungsi:
1. Dapat dilakukan pengukuran qubit.
2. Dapat mengatur qubit ke keadaan awal sederhana, yaitu 0.
3. Interaksi antara qubit harus cukup terkendali untuk membuat
gerbang logika (logic gate) kuantum.
4. Untuk melakukan operasi komputasi menggunakan para logic
gate ini, waktu decoherence (menghilangnya superposisi) harus jauh
lebih lama dari waktu yang dibutuhkan untuk operasi logic gate. (umumnya
millisekon sampai sekon)
5. Hasil perhitungan/ olahan data dapat dibaca.
6. Qubit memory dapat dikonversi menjadi qubit processing,
dan sebaliknya.
7. Qubit yang sedang melakukan perhitungan dapat berpindah-pindah.
Ada suatu fenomena unik dari mekanika kuantum yang juga
dimanfaatkan dalam teknologi komputer kuantum, yaitu Entanglement. Jika
dua atom atau qubit mendapatkan gaya tertentu (outside force) kedua atom
tersebut bisa masuk pada keadaan ‘entangled’. Atom-atom yang saling
terhubungkan dalam entanglement ini akan tetap terhubungkan walaupun jaraknya
berjauhan; atau dalam kata lain, seperti sepasang kekasih yang karena saking
eratnya hubungan mereka, dapat merasakan keadaan satu sama lain meskipun
terpisah oleh jarak yang amat jauh, seperti telepati. Dari analogi ini dapat
diartikan bahwa komputer kuantum memiliki kemampuan komunikasi yang super
cepat. Kecepatan yang dicapai begitu luar biasa, seakan-akan mengalahkan
kecepatan cahaya.
terlihat bahwa dengan terjadinya kedua fenomena (Entanglement dan
Superposisi), sebuah qubit dapat menyimpan dan menggunakan angka biner
yang berjumlah pangkat dua dari sebuah bit.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar