Catatan
Akses ke halaman ini memerlukan otorisasi. Anda dapat mencoba masuk atau mengubah direktori.
Akses ke halaman ini memerlukan otorisasi. Anda dapat mencoba mengubah direktori.
👉 Temukan apa yang baru di Microsoft Quantum
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.
Artikel ini menjelaskan prinsip-prinsip komputasi kuantum, bagaimana perbandingannya dengan komputasi klasik, dan bagaimana ia menggunakan prinsip-prinsip mekanika kuantum.
Sejarah komputasi kuantum
Sistem kuantum, seperti atom dan molekul, bisa sulit atau tidak mungkin disimulasikan pada komputer klasik. Pada 1980-an, Richard Feynman dan Yuri Manin menyarankan bahwa perangkat keras berdasarkan fenomena kuantum mungkin lebih efisien untuk simulasi sistem kuantum daripada komputer konvensional.
Ada beberapa alasan mengapa sistem kuantum sulit disimulasikan pada komputer biasa. Salah satu alasan utamanya adalah bahwa materi, pada tingkat kuantum, digambarkan sebagai kombinasi dari beberapa konfigurasi (dikenal sebagai keadaan) secara bersamaan.
Negara-negara kuantum tumbuh secara eksponensial
Pertimbangkan sistem partikel, dan 40 lokasi yang mungkin di mana partikel tersebut dapat berada. Sistem dapat berada di salah satu dari $2^{40}$ status unik karena setiap lokasi dapat memiliki atau tidak memiliki partikel. Jika ini adalah partikel klasik, maka sistem selalu dalam satu dari $2^{40}$ status, sehingga komputer klasik hanya membutuhkan 40 bit untuk menggambarkan status sistem. Tetapi jika ini adalah partikel kuantum, maka sistem ada dalam kombinasi dari semua $2^{40}$ status. Komputer klasik perlu menyimpan $angka 2^{40}$ untuk menggambarkan sistem kuantum, yang membutuhkan memori lebih dari 130 GB. Namun, komputer kuantum hanya membutuhkan 40 bit kuantum untuk menggambarkan sistem kuantum ini.
Jika kita menambahkan lokasi lain ke sistem sehingga elektron dapat ada di 41 lokasi, maka jumlah konfigurasi unik sistem berlipat ganda menjadi $2^{41}$. Dibutuhkan lebih dari 260 GB memori untuk menyimpan status kuantum tersebut di komputer klasik. Kami tidak dapat memainkan game ini untuk meningkatkan jumlah lokasi selamanya. Untuk menyimpan keadaan kuantum di komputer konvensional, Anda dengan cepat melebihi kapasitas memori komputer paling kuat di dunia. Pada beberapa ratus elektron, memori yang diperlukan untuk menyimpan sistem melebihi jumlah partikel di alam semesta. Tidak ada harapan dengan komputer konvensional kami untuk sepenuhnya mensimulasikan dinamika kuantum untuk sistem yang lebih besar!
Mengubah kesulitan menjadi kesempatan
Pengamatan pertumbuhan eksponensial ini menimbulkan pertanyaan yang kuat: apakah mungkin untuk mengubah kesulitan ini menjadi peluang? Jika sistem kuantum sulit disimulasikan pada komputer biasa, apa yang akan terjadi jika kita membangun mesin yang menggunakan efek kuantum untuk operasi mendasarnya? Bisakah kita mensimulasikan sistem kuantum dengan mesin yang mengeksploitasi hukum fisika yang sama persis? Dan bisakah kita menggunakan mesin itu untuk menyelidiki masalah penting lainnya di luar mekanika kuantum? Ini adalah jenis pertanyaan yang memunculkan bidang informasi kuantum dan komputasi kuantum.
Pada tahun 1985, David Deutsch menunjukkan bahwa komputer kuantum dapat secara efisien mensimulasikan perilaku sistem fisik apa pun. Penemuan ini adalah indikasi pertama bahwa komputer kuantum dapat digunakan untuk memecahkan masalah yang terlalu sulit dipecahkan pada komputer klasik.
Pada tahun 1994, Peter Shor menemukan algoritma kuantum untuk menemukan faktor utama bilangan bulat besar. Algoritma Shor berjalan secara eksponensial lebih cepat daripada algoritma klasik yang paling dikenal untuk masalah faktor ini. Algoritma cepat seperti itu berpotensi merusak banyak kriptografi kunci publik modern kami yang kami gunakan untuk mengamankan transaksi di e-niaga, seperti Rivest–Shamir–Adleman (RSA) dan Kriptografi Kurva Elips. Penemuan ini memicu minat besar dalam komputasi kuantum dan menyebabkan pengembangan algoritma kuantum untuk banyak masalah lainnya.
Sejak saat itu, algoritma komputer kuantum yang cepat dan efisien dikembangkan untuk masalah lain yang sulit diselesaikan pada komputer klasik. Misalnya, kita sekarang memiliki algoritma kuantum untuk mencari database yang tidak berurutan, untuk memecahkan sistem persamaan linier, untuk melakukan pembelajaran mesin, dan untuk mensimulasikan sistem fisik dalam kimia, fisika, dan ilmu materi.
Apa itu qubit?
Sama seperti bit adalah objek dasar informasi dalam komputasi klasik, qubit (bit kuantum) adalah objek dasar informasi dalam komputasi kuantum.
Qubits memainkan peran serupa dalam komputasi kuantum seperti bit dalam komputasi klasik, tetapi qubit berperilaku berbeda dari bit. Bit klasik adalah biner dan, pada waktu tertentu, hanya dapat berada di salah satu dari dua status, 0 atau 1. Tetapi qubit dapat berada dalam superposisi keadaan 0 dan keadaan 1 pada saat yang sama. Bahkan, ada kemungkinan superposisi 0 dan 1 yang tak terbatas, dan masing-masing adalah status qubit yang valid.
Dalam komputasi kuantum, informasi dienkode dalam superposisi dari keadaan 0 dan 1. Misalnya, 8 bit reguler dapat mengodekan hingga 256 nilai unik, tetapi 8 bit ini hanya dapat mewakili salah satu dari 256 nilai pada satu waktu. Dengan 8 qubit, kita dapat mengodekan semua 256 nilai secara bersamaan, karena qubit dapat berada dalam superposisi dari 256 status yang mungkin.
Untuk informasi selengkapnya, lihat Qubit dalam komputasi kuantum.
Apa saja persyaratan untuk membangun komputer kuantum?
Komputer kuantum menggunakan sistem kuantum dan sifat mekanika kuantum untuk memecahkan masalah komputasi. Sistem dalam komputer kuantum terdiri dari qubit, interaksi antara qubit, dan operasi pada qubit untuk menyimpan dan menghitung informasi. Kita dapat menggunakan komputer kuantum untuk memprogram efek seperti entanglemen kuantum dan gangguan kuantum untuk menyelesaikan masalah tertentu secara akurat lebih cepat daripada pada komputer klasik.
Untuk membangun komputer kuantum, kita perlu mempertimbangkan cara membuat dan menyimpan qubit. Kita juga perlu memikirkan cara memanipulasi qubit dan cara mengukur hasil komputasi kita.
Teknologi qubit populer termasuk qubit trapped-ion, qubit superkonduktif, dan qubit topologis. Untuk beberapa metode penyimpanan qubit, unit yang menampung qubit harus disimpan pada suhu mendekati nol absolut untuk memaksimalkan koherensi mereka dan mengurangi gangguan. Jenis rumah qubit lainnya menggunakan ruang vakum untuk membantu meminimalkan getaran dan menstabilkan qubit. Sinyal dapat dikirim ke kubit melalui berbagai metode, seperti microwave, laser, atau tegangan.
Lima kriteria untuk komputer kuantum
Komputer kuantum yang baik harus memiliki lima fitur ini:
- Dapat diskalakan: Ini dapat memiliki banyak qubit.
- Dapat diinisialisasi: Ini dapat mengatur kubit ke status tertentu (biasanya status 0).
- Tangguh: Ini dapat menjaga qubit dalam status superposisi untuk waktu yang lama.
- Universal: Komputer kuantum tidak perlu melakukan setiap operasi yang mungkin, hanya serangkaian operasi yang disebut set universal. Satu set operasi kuantum universal adalah sedemikian sehingga setiap operasi lain dapat diurai menjadi rangkaian urutan dari operasi-operasi tersebut.
- Andal: Ini dapat mengukur qubit secara akurat.
Kelima kriteria ini sering dikenal sebagai kriteria Di Vincenzo untuk komputasi kuantum.
Membangun perangkat yang memenuhi lima kriteria ini adalah salah satu tantangan teknik paling menuntut yang pernah dihadapi oleh umat manusia. Azure Quantum menawarkan berbagai solusi komputasi kuantum dengan teknologi qubit yang berbeda. Untuk informasi selengkapnya, lihat daftar lengkap penyedia Azure Quantum.
Memahami fenomena kuantum
Fenomena kuantum adalah prinsip-prinsip dasar yang membedakan komputasi kuantum dari komputasi klasik. Memahami fenomena ini sangat penting untuk menggenggam bagaimana komputer kuantum beroperasi dan mengapa mereka menyimpan potensi tersebut. Dua fenomena kuantum yang paling penting adalah superposisi dan entanglemen.
Superposisi
Bayangkan Anda sedang berolahraga di ruang tamu Anda. Anda berputar sepenuhnya ke kiri dan kemudian berputar sepenuhnya ke kanan. Sekarang belok ke kiri dan ke kanan sekaligus. 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).
Hanya sistem kuantum seperti ion, elektron, atau sirkuit superkonduktif yang dapat ada di status superposisi yang memungkinkan kekuatan komputasi kuantum. Misalnya, elektron adalah partikel kuantum yang memiliki properti "menghadap kiri atau menghadap kanan" yang disebut spin. Dua keadaan spin disebut spin up dan spin down, dan keadaan kuantum dari elektron adalah superposisi dari keadaan spin up dan spin down.
Jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut dan berlatih dengan superposisi, lihat Modul pelatihan: Menjelajahi superposisi dengan Q#.
Keterhubungan
Entanglement adalah korelasi kuantum antara dua atau lebih sistem kuantum. Ketika dua kubit terjerat, mereka berkorelasi dan berbagi informasi tentang keadaan mereka sedemikian rupa sehingga keadaan kuantum kubit individu tidak dapat dijelaskan secara independen. Dengan entanglemen kuantum Anda hanya dapat mengetahui status kuantum sistem global, bukan status individu.
Sistem kuantum terjerat mempertahankan korelasi ini bahkan ketika dipisahkan dari jarak yang besar. Ini berarti bahwa operasi atau proses apa pun yang Anda terapkan pada satu subsistem juga berkorelasi dengan subsistem lainnya. Dengan demikian, mengukur status satu kubit memberikan informasi tentang keadaan kubit lain - properti khusus ini sangat membantu dalam komputasi kuantum.
Jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut, lihat Tutorial: Menjelajahi keterikatan kuantum dengan Q# dan, untuk implementasi praktis lihat Modul Pelatihan: Teleport kubit menggunakan keterikatan.