Memahami komputasi kuantum

Komputasi kuantum memegang janji untuk memecahkan beberapa tantangan terbesar planet kita - di bidang lingkungan, pertanian, kesehatan, energi, iklim, ilmu material, dan banyak lagi. Untuk beberapa masalah ini, komputasi klasik semakin ditantang sebagai ukuran sistem tumbuh. Ketika dirancang untuk menskalakan, sistem kuantum kemungkinan akan memiliki kemampuan yang melebihi superkomputer paling kuat saat ini. Sebagai komunitas global peneliti kuantum, ilmuwan, insinyur, dan pemimpin bisnis berkolaborasi untuk memajukan ekosistem kuantum, kami berharap untuk melihat dampak kuantum dipercepat di setiap industri.

Untuk informasi selengkapnya tentang awal dan motivasi komputasi kuantum, lihat sejarah dan latar belakang komputasi kuantum.

Azure Quantum adalah ekosistem terbuka untuk membangun solusi komputasi kuantum pada beragam pilihan perangkat keras kuantum saat ini, dan menawarkan fleksibilitas untuk menggunakan alat pengembangan pilihan Anda dengan dukungan untuk Cirq, Qiskit, dan Q#. Anda dapat menggunakan platform Azure yang akrab dan tepercaya untuk mempelajari cara mengembangkan algoritma kuantum dan cara memprogram dan menjalankannya di perangkat keras nyata dari beberapa penyedia.

Pelajari cara membuat ruang kerja Azure Quantum dan mulai mengirimkan program kuantum Anda pada perangkat keras kuantum nyata. Pengguna pertama secara otomatis mendapatkan Azure Quantum Credits gratis untuk digunakan dengan tiap penyedia perangkat keras kuantum yang berpartisipasi (masing-masing 500 USD) saat membuat ruang kerja Anda. Jika Anda membutuhkan lebih banyak kredit, Anda dapat mendaftar ke program Azure Quantum Credits.

Tip

Uji coba gratis. Jika Anda tidak memiliki langganan Azure, Anda dapat membuat akun gratis Azure (lihat akun Azure gratis untuk siswa).

Untuk apa komputasi kuantum dan Azure Quantum dapat digunakan?

Komputer kuantum bukanlah superkomputer yang dapat melakukan segalanya lebih cepat. Bahkan, salah satu tujuan penelitian komputasi kuantum adalah untuk mempelajari masalah mana yang dapat diselesaikan oleh komputer kuantum lebih cepat daripada komputer klasik dan seberapa besar kecepatannya.

Komputer kuantum sangat baik dengan masalah yang mengharuskan menghitung sejumlah besar kemungkinan kombinasi. Jenis masalah ini dapat ditemukan di banyak bidang, seperti simulasi kuantum, kriptografi, pembelajaran mesin kuantum, dan masalah pencarian.

Untuk informasi terbaru tentang penelitian komputasi kuantum Microsoft, lihat halaman Komputasi Kuantum Penelitian Microsoft .

Estimasi sumber daya

Komputer kuantum yang tersedia saat ini memungkinkan eksperimen dan penelitian yang menarik tetapi mereka tidak dapat mempercepat komputasi yang diperlukan untuk memecahkan masalah dunia nyata. Meskipun industri menunggu kemajuan perangkat keras, inovator perangkat lunak kuantum ingin membuat kemajuan dan mempersiapkan masa depan kuantum. Membuat algoritma hari ini yang pada akhirnya akan berjalan pada komputer kuantum berskala toleran terhadap kesalahan besok adalah tugas yang menakutkan. Inovator ini dihadapkan dengan pertanyaan seperti sumber daya perangkat keras apa yang diperlukan? Berapa banyak kubit fisik dan logis yang diperlukan dan jenis apa? Berapa lama durasinya?

Anda dapat menggunakan Azure Quantum Resource Estimator untuk membantu menjawab pertanyaan-pertanyaan ini. Akibatnya, Anda akan dapat menyempurnakan algoritma dan membangun solusi yang memanfaatkan komputer kuantum yang diskalakan ketika tersedia.

Untuk memulai, lihat Menjalankan perkiraan sumber daya pertama Anda.

Pelajari selengkapnya tentang menilai persyaratan untuk menskalakan ke keuntungan kuantum praktis menggunakan Azure Quantum Resource Estimator di arXiv:2211.07629.

Simulasi kuantum

Mekanika kuantum adalah "sistem operasi" yang mendasari alam semesta kita. Ini menggambarkan bagaimana blok bangunan dasar alam berperilaku. Perilaku alam, seperti reaksi kimia, reaksi biologis, dan formasi material, sering melibatkan interaksi kuantum banyak tubuh. Untuk mensimulasikan sistem mekanis kuantum intrinsik, seperti molekul, komputasi kuantum menjanjikan, karena qubit (bit kuantum) dapat digunakan untuk mewakili keadaan alami yang dimaksud. Contoh sistem kuantum yang dapat kita model termasuk fotosintesis, superkonduktivitas, dan formasi molekul yang kompleks.

Quantum Development Kit (QDK) dilengkapi dengan pustaka kimia kuantum untuk mensimulasikan masalah struktur elektronik dan dinamika kuantum pada komputer kuantum. Contoh simulasi tersebut adalah estimasi energi molekul sederhana dari keadaan tanah molekul. Sampel QDK dan Azure Quantum lainnya ini dapat ditemukan dalam sampel kode.

Percepatan kuantum

Salah satu tujuan dari penelitian komputasi kuantum adalah untuk mempelajari masalah mana yang dapat diselesaikan oleh komputer kuantum lebih cepat daripada komputer klasik dan seberapa besar kecepatannya. Dua contoh terkenal adalah algoritma Grover dan algoritma Shor, yang menghasilkan polinomial dan speedup eksponensial, masing-masing, atas rekan-rekan klasik mereka.

Algoritma Shor yang berjalan pada komputer kuantum dapat merusak skema kriptografi klasik seperti skema Rivest–Shamir–Adleman (RSA), yang banyak digunakan dalam e-niaga untuk transmisi data yang aman. Skema ini didasarkan pada kesulitan praktis memfaktorkan bilangan prima dengan menggunakan algoritma klasik. Kriptografi kuantum menjanjikan keamanan informasi dengan memanfaatkan fisika dasar daripada asumsi kompleksitas.

Seperti algoritma Shor untuk memperhitungkan, masalah pergeseran tersembunyi adalah sumber masalah alami di mana komputer kuantum memiliki keuntungan eksponensial daripada algoritma klasik yang paling dikenal. Ini pada akhirnya dapat membantu dalam memecahkan masalah dekonvolusi dan memungkinkan kita untuk secara efisien menemukan pola dalam himpunan data yang kompleks. Ternyata komputer kuantum dapat dalam konvolusi komputasi prinsip pada kecepatan tinggi, yang pada gilirannya didasarkan pada kemampuan komputer kuantum untuk menghitung transformasi Fourier dengan sangat cepat. Di galeri sampel ruang kerja Azure Quantum Anda, Anda akan menemukan sampel notebook Jupyter Shifts Tersembunyi (akun Azure diperlukan).

Algoritma Grover mempercepat solusi untuk pencarian data yang tidak terstruktur, menjalankan pencarian dalam langkah yang lebih sedikit daripada algoritma klasik apa pun. Memang, masalah apa pun yang memungkinkan Anda untuk memeriksa apakah nilai yang diberikan $x$ adalah solusi yang valid ("masalah ya atau tidak") dapat dirumuskan dalam masalah pencarian. Berikut ini adalah beberapa contoh:

  • Masalah kepuasan Boolean: Apakah himpunan nilai Boolean $x$ merupakan interpretasi (penugasan nilai ke variabel) yang memenuhi rumus Boolean yang diberikan?
  • Masalah penjual keliling: Apakah $x$ menggambarkan kemungkinan perulangan terpendek yang menghubungkan semua kota?
  • Masalah pencarian database: Apakah tabel database berisi baris $x$?
  • Masalah faktorisasi bilangan bulat: Apakah angka tetap $N$ dapat dibagi dengan angka $x$?

Untuk implementasi praktis algoritma Grover untuk memecahkan masalah matematika, lihat notebook Jupyter Pencarian Grover di galeri sampel ruang kerja Azure Quantum Anda (akun Azure diperlukan), atau lihat tutorial ini untuk mengimplementasikan algoritma pencarian Grover.

Untuk sampel algoritma kuantum lainnya, lihat sampel kode.

Pembelajaran mesin kuantum

Pembelajaran mesin pada komputer klasik merevolusi dunia sains dan bisnis. Namun, biaya komputasi yang tinggi untuk melatih model menghambat pengembangan dan cakupan lapangan. Area pembelajaran mesin kuantum mengeksplorasi cara merancang dan mengimplementasikan perangkat lunak kuantum yang memungkinkan pembelajaran mesin yang berjalan lebih cepat daripada komputer klasik.

Quantum Development Kit (QDK) dilengkapi dengan pustaka pembelajaran mesin kuantum yang memberi Anda kemampuan untuk menjalankan eksperimen pembelajaran mesin kuantum hibrid/klasik. Pustaka mencakup sampel dan tutorial, dan menyediakan alat yang diperlukan untuk menerapkan algoritme klasik kuantum hibrida baru, pengklasifikasi kuantum sentris sirkuit, untuk memecahkan masalah klasifikasi terawasi.

Bagaimana komputasi kuantum memecahkan masalah?

Komputer kuantum adalah perangkat mekanika kuantum yang dapat dikontrol yang mengeksploitasi sifat-sifat fisika kuantum untuk melakukan perhitungan. Untuk beberapa tugas komputasi, komputasi kuantum memberikan kecepatan eksponensial. Percepatan ini dimungkinkan berkat tiga fenomena dari mekanika kuantum: superposisi, interferensi, dan belitan.

Superposisi

Bayangkan Anda sedang berolahraga di ruang tamu Anda. Anda berbelok ke kiri dan kemudian sampai ke kanan Anda. Sekarang belok ke kiri dan kanan Anda pada saat yang sama. Anda tidak dapat melakukannya (tidak tanpa membelah diri Anda menjadi dua, setidaknya). Jelas, Anda tidak bisa berada di kedua keadaan itu sekaligus – Anda tidak bisa menghadap ke kiri dan ke kanan pada saat yang bersamaan.

Namun, jika Anda adalah partikel kuantum, maka Anda dapat memiliki peluang tertentu untuk menghadap ke kiri DAN peluang tertentu menghadap ke kanan karena fenomena yang dikenal sebagai superposisi (juga dikenal sebagai koherensi).

Sama seperti bit adalah unit dasar informasi dalam komputasi klasik, qubit adalah unit dasar informasi dalam komputasi kuantum. Sementara bit, atau digit biner, dapat memiliki nilai 0 atau 1, qubit dapat memiliki nilai yang baik 0, 1 atau superposisi kuantum 0 dan 1.

Tidak seperti partikel klasik, jika dua keadaan $A$ dan $B$ adalah keadaan kuantum yang valid dari partikel kuantum, maka setiap kombinasi linier dari keadaan juga merupakan keadaan kuantum yang valid: $\text{keadaan qubit}=\alpha A + \ beta B$. Kombinasi linear dari keadaan kuantum $A$ dan $B$ disebut superposisi. Di sini, $\alpha$ dan $\beta$ adalah amplitudo peluang masing-masing $A$ dan $B$, sehingga $|\alpha|^{2} + |\beta|^{2} = 1$.

Hanya sistem kuantum seperti ion, elektron, atau sirkuit superkonduktor yang dapat eksis dalam keadaan superposisi yang memungkinkan kekuatan komputasi kuantum. Partikel kuantum seperti elektron memiliki properti "menghadap ke kiri atau kanan" sendiri, yaitu spin, disebut sebagai atas atau bawah, sehingga keadaan kuantum elektron adalah superposisi "spin up" dan "spin down".

Secara umum, dan untuk membuatnya lebih sesuai dengan komputasi biner klasik, jika sistem kuantum dapat berada dalam dua keadaan kuantum, keadaan ini disebut sebagai keadaan 0 dan 1 keadaan.

Qubit dan peluang

Komputer klasik menyimpan dan memproses informasi dalam bit, yang dapat memiliki status 1 atau 0, tetapi tidak pernah keduanya. Yang setara dalam komputasi kuantum adalah qubit. Qubit adalah sistem kuantum apa pun yang dapat berada dalam superposisi dua keadaan kuantum, 0 dan 1. Setiap keadaan kuantum yang mungkin memiliki amplitudo probabilitas yang terkait. Hanya setelah mengukur qubit, statusnya runtuh ke status 0 atau status 1 tergantung pada probabilitas terkait, dengan demikian, salah satu status yang mungkin diperoleh dengan probabilitas tertentu.

Peluang qubit runtuh dengan satu atau lain cara ditentukan oleh interferensi kuantum. Interferensi kuantum mempengaruhi keadaan qubit untuk mempengaruhi peluang hasil tertentu selama pengukuran, dan keadaan probabilistik ini adalah di mana kekuatan komputasi kuantum unggul.

Misalnya, dengan dua bit di komputer klasik, setiap bit dapat menyimpan 1 atau 0, jadi bersama-sama Anda dapat menyimpan empat nilai yang mungkin - 00, 01, 10, dan 11 - tetapi hanya satu dari mereka pada satu waktu. Namun, dengan dua qubit dalam superposisi, setiap qubit bisa 1 atau 0 atau keduanya, sehingga Anda dapat mewakili empat nilai yang sama secara bersamaan. Dengan tiga qubit, Anda dapat mewakili delapan nilai, dengan empat qubit, Anda dapat mewakili 16 nilai, dan seterusnya.

Untuk informasi selengkapnya, lihat qubit dalam komputasi kuantum.

Belitan

Salah satu fenomena mekanika kuantum yang paling menarik adalah kemampuan dua atau lebih sistem kuantum untuk terbelit satu sama lain. Belitan adalah korelasi kuantum antara sistem kuantum. Ketika qubit menjadi terbelit, mereka membentuk sistem global sedemikian rupa sehingga keadaan kuantum subsistem individu tidak dapat dijelaskan secara independen. Dua sistem terbelit ketika keadaan sistem global tidak dapat ditulis sebagai kombinasi linier dari subsistem.

Sistem kuantum terbelit dapat mempertahankan korelasi ini bahkan ketika dipisahkan dalam jarak yang jauh. Ini berarti bahwa operasi atau proses apa pun yang Anda terapkan pada satu subsistem juga berkorelasi dengan subsistem lainnya. Karena ada korelasi antara qubit yang terjerat, mengukur status satu qubit memberikan informasi tentang status qubit lainnya – properti khusus ini sangat membantu dalam komputasi kuantum.

Catatan

Tidak setiap korelasi antara pengukuran dua qubit berarti bahwa kedua qubit terjerat. Bit klasik juga dapat berkorelasi. Dua qubit terjerat ketika mereka menyajikan korelasi yang tidak dapat direproduksi dengan menggunakan bit klasik. Perbedaan antara korelasi klasik dan kuantum ini tidak kentara, tetapi penting untuk percepatan yang disediakan oleh komputer kuantum.

Jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut, lihat tutorial menjelajahi entanglemen kuantum dengan Q# dan Azure Quantum.

Komputer kuantum vs simulator kuantum

Komputer kuantum adalah mesin yang menggabungkan kekuatan komputasi klasik dan kuantum. Komputer kuantum saat ini sesuai dengan model hibrida: komputer klasik yang mengontrol prosesor kuantum.

Pengembangan komputer kuantum masih dalam masa kandungan. Perangkat keras kuantum mahal dan sebagian besar sistem terletak di universitas dan laboratorium penelitian. Di mana komputer klasik menggunakan chip berbasis silikon yang sudah dikenal, komputer kuantum menggunakan sistem kuantum seperti atom, ion, foton, atau elektron. Namun, teknologi ini maju, dan akses cloud publik terbatas ke sistem kuantum tersedia.

Azure Quantum memungkinkan Anda membuat algoritma kuantum untuk beberapa platform sekaligus, sambil mempertahankan fleksibilitas untuk menyetel algoritma yang sama untuk sistem tertentu. Anda dapat memilih dari banyak bahasa pemrograman seperti Qiskit, Cirq, dan Q# menjalankan algoritma Anda pada beberapa sistem kuantum. Di Azure Quantum, mudah untuk secara bersamaan menjelajahi sistem kuantum saat ini dan siap untuk sistem kuantum berskala di masa depan.

Tip

Pengguna pertama kali secara otomatis mendapatkan Kredit Kuantum Azuregratis $500 (USD) untuk digunakan dengan setiap penyedia perangkat keras kuantum yang berpartisipasi. Jika semua kredit telah digunakan dan Anda membutuhkan lebih banyak, Anda dapat mendaftar ke Program Kredit Azure Quantum.

Perangkat keras Azure Quantum

Komputer kuantum memiliki tiga bagian utama:

  • Perangkat yang menampung qubit
  • Metode untuk melakukan operasi kuantum (juga dikenal sebagai gerbang kuantum) pada qubit dan mengukurnya
  • Komputer klasik untuk menjalankan program dan mengirim instruksi

Qubits rapuh dan sangat sensitif terhadap gangguan lingkungan. Untuk beberapa metode penyimpanan qubit, unit yang menampung qubit disimpan pada suhu tepat di atas nol absolut untuk memaksimalkan koherensi mereka. Jenis rumah qubit lainnya menggunakan ruang vakum untuk membantu meminimalkan getaran dan menstabilkan qubit.
Operasi dapat dilakukan menggunakan berbagai metode termasuk microwave, laser, dan tegangan, tergantung pada jenis qubit.

Komputer kuantum menghadapi banyak tantangan untuk beroperasi dengan benar. Koreksi kesalahan di komputer kuantum adalah masalah yang signifikan, dan meningkatkan (menambahkan lebih banyak qubit) meningkatkan tingkat kesalahan. Karena keterbatasan ini, PC kuantum untuk desktop Anda jauh di masa depan, tetapi komputer kuantum berbasis lab yang layak secara komersial lebih dekat.

Microsoft bermitra dengan perusahaan perangkat keras kuantum untuk menyediakan akses cloud ke perangkat keras kuantum. Dengan platform Azure Quantum dan QDK, Anda dapat menjelajahi dan menjalankan program kuantum pada berbagai jenis perangkat keras kuantum. Ini adalah target kuantum yang saat ini tersedia:

  • Kuantium: Sistem Ion terperangkap dengan kesetiaan tinggi, qubit yang terhubung sepenuhnya, dan kemampuan untuk melakukan pengukuran sirkuit tengah.
  • IonQ: Komputer kuantum trapped-ion yang dapat dikonfigurasi ulang secara dinamis hingga 11 qubit yang sepenuhnya terhubung, yang memungkinkan Anda menjalankan gerbang dua qubit di antara pasangan mana pun.
  • Rigetti: Prosesor superkonduktor berbasis gerbang akan segera tersedia di Azure Quantum dan menggunakan Quantum Intermediate Representation (QIR) untuk memungkinkan latensi rendah dan eksekusi paralel.

Untuk informasi selengkapnya, lihat daftar target komputasi kuantum lengkap.

Simulator Azure Quantum

Untuk saat ini, penggunaan perangkat keras kuantum nyata terbatas karena sumber daya dan anggaran. Simulator kuantum berfungsi untuk tujuan menjalankan algoritma kuantum, sehingga mudah untuk menguji dan men-debug algoritma dan kemudian menjalankannya pada perangkat keras nyata dengan keyakinan bahwa hasilnya akan sesuai dengan harapan.

Simulator kuantum adalah program perangkat lunak yang berjalan pada komputer klasik dan memungkinkan untuk menjalankan dan menguji program kuantum di lingkungan yang memprediksi bagaimana qubit bereaksi terhadap operasi yang berbeda, sehingga mudah untuk menguji dan men-debug algoritma dan kemudian menjalankannya pada perangkat keras nyata dengan keyakinan bahwa hasilnya akan sesuai dengan harapan.

Quantum Development Kit (QDK) mencakup berbagai kelas simulator kuantum yang mewakili berbagai cara untuk mensimulasikan algoritma kuantum yang sama, seperti simulator jarang untuk mensimulasikan sistem besar, simulator kebisingan untuk mensimulasikan algoritma kuantum di bawah adanya kebisingan. Untuk informasi selengkapnya, lihat simulator kuantum.

Jika Anda memiliki akun Azure, di galeri sampel ruang kerja Azure Quantum Anda, Anda akan menemukan beberapa sampel Jupyter Notebook yang menggunakan simulator kuantum. Lihat cara memulai dan Q# notebook Azure Quantum.

Langkah berikutnya