Nama: Muhammad Irfan M
Kelas: 4IA21
Mata Kuliah: Pengantar Komputasi Modern
Dosen: Indra Adi Permana
Quantum Computation
Quantum Computation atau 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
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, Davic Deutsch dari Unversity 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 algoritme
baru yang bisa digunakan dalam sistem kuantum yaitu algoritme shor dan
algoritme 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.
Algoritma pada Quantum Computing
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.
- Algoritma Shor
Algoritma yang ditemukan oleh Peter Shor pada tahun 1995.
Dengan menggunakan algoritma ini, sebuah komputer kuantum dapat memecahkan
sebuah kode rahasia yang saat ini secara umum digunakan untuk mengamankan pengiriman
data. Kode yang disebut kode RSA ini, jika disandikan melalui kode RSA, data
yang dikirimkan akan aman karena kode RSA tidak dapat dipecahkan dalam waktu
yang singkat. Selain itu, pemecahan kode RSA membutuhkan kerja ribuan komputer
secara paralel sehingga kerja pemecahan ini tidaklah efektif.
- Algoritma Grover
Algoritma Grover adalah sebuah algoritma kuantum yang
menawarkan percepatan kuadrat dibandingkan pencarian linear klasik untuk list
tak terurut. Algoritma Grover menggambarkan bahwa dengan menggunakan pencarian
model kuantum, pencarian dapat dilakukan lebih cepat dari model komputasi
klasik. Dari banyaknya algoritma kuantum, algoritma grover akan memberikan
jawaban yang benar dengan probabilitas yang tinggi. Kemungkinan kegagalan dapat
dikurangi dengan mengulangi algoritma. Algoritma Grover juga dapat digunakan
untuk memperkirakan rata-rata dan mencari median dari serangkaian angka, dan
untuk memecahkan masalah Collision.
Perbandingan Komputasi Klasik dan Quantum
Komputasi klasik bergantung, pada tingkat tertinggi, pada
prinsip-prinsip yang diungkapkan oleh aljabar Boolean, beroperasi dengan
prinsip gerbang logika 7-mode (biasanya), meskipun mungkin ada hanya dengan
tiga mode (yang AND, NOT, dan COPY). Data harus diproses dalam keadaan biner
eksklusif pada setiap titik waktu - yaitu, baik 0 (tidak aktif / salah) atau 1
(pada / benar). Nilai-nilai ini adalah digit biner, atau bit. Jutaan transistor
dan kapasitor di jantung komputer hanya dapat berada di satu negara pada titik
mana pun. Sementara waktu yang diperlukan setiap transistor atau kapasitor baik
dalam 0 atau 1 sebelum negara beralih sekarang dapat diukur dalam seperseribu
detik, masih ada batas mengenai seberapa cepat perangkat ini dapat dibuat untuk
beralih negara. Ketika kita maju ke sirkuit yang lebih kecil dan lebih cepat,
kita mulai mencapai batas fisik material dan ambang hukum fisika klasik untuk
diterapkan. Di luar ini, dunia kuantum mengambil alih, yang membuka potensi
sebesar tantangan yang disajikan.
Komputer Quantum, sebaliknya, dapat bekerja dengan gerbang
logika dua mode: XOR dan mode yang akan kita sebut QO1 (kemampuan untuk
mengubah 0 menjadi superposisi 0 dan 1, gerbang logika yang tidak bisa ada
dalam komputasi klasik) . Dalam komputer kuantum, sejumlah partikel unsur
seperti elektron atau foton dapat digunakan (dalam praktiknya, keberhasilan
juga telah dicapai dengan ion), dengan muatan atau polarisasi keduanya
bertindak sebagai representasi 0 dan / atau 1. Setiap partikel-partikel ini
dikenal sebagai bit kuantum, atau qubit, sifat dan perilaku partikel-partikel
ini membentuk dasar komputasi kuantum. Dua aspek yang paling relevan dari
fisika kuantum adalah prinsip-prinsip superposisi dan belitan.
Superposisi
Pikirkan qubit sebagai elektron dalam medan magnet. Spin
elektron mungkin baik sejajar dengan bidang, yang dikenal sebagai keadaan
spin-up, atau berlawanan dengan lapangan, yang dikenal sebagai keadaan
spin-down. Mengubah spin elektron dari satu keadaan ke keadaan lainnya dicapai
dengan menggunakan pulsa energi, seperti dari laser - katakanlah kita
menggunakan 1 unit energi laser. Tetapi bagaimana jika kita hanya menggunakan
setengah unit energi laser dan benar-benar mengisolasi partikel dari semua
pengaruh eksternal? Menurut hukum kuantum, partikel kemudian memasuki
superposisi keadaan, di mana ia berperilaku seolah-olah berada di kedua negara
secara bersamaan. Setiap qubit yang digunakan dapat mengambil superposisi dari
0 dan 1. Dengan demikian, jumlah perhitungan yang dapat dilakukan oleh komputer
kuantum adalah 2 ^ n, di mana n adalah jumlah qubit yang digunakan. Sebuah
komputer kuantum yang terdiri dari 500 qubit akan memiliki potensi untuk
melakukan 2 ^ 500 perhitungan dalam satu langkah. Ini adalah angka yang luar
biasa - 2 ^ 500 adalah atom yang jauh lebih banyak daripada yang ada di alam
semesta yang dikenal (ini adalah pemrosesan paralel yang benar - komputer
klasik saat ini, bahkan yang disebut prosesor paralel, masih hanya benar-benar
melakukan satu hal pada satu waktu: hanya ada dua atau lebih dari mereka
melakukannya). Tetapi bagaimana partikel-partikel ini berinteraksi satu sama
lain? Mereka akan melakukannya melalui belitan kuantum.
Entanglement
Entanglement Partikel (seperti foton, elektron, atau qubit)
yang berinteraksi di beberapa titik mempertahankan jenis koneksi dan dapat
terjerat satu sama lain secara berpasangan, dalam proses yang dikenal sebagai
korelasi. Mengetahui keadaan spin dari satu partikel yang terjerat - naik atau
turun - memungkinkan seseorang untuk mengetahui bahwa spin dari pasangannya
berada dalam arah yang berlawanan. Yang lebih menakjubkan adalah pengetahuan
yang, karena fenomena superpostisi, partikel yang diukur tidak memiliki arah
putaran tunggal sebelum diukur, tetapi secara simultan dalam keadaan spin-up
dan spin-down. Keadaan spin dari partikel yang diukur diputuskan pada saat
pengukuran dan dikomunikasikan ke partikel yang berkorelasi, yang secara
bersamaan mengasumsikan arah putaran berlawanan dengan yang diukur partikel.
Ini adalah fenomena nyata (Einstein menyebutnya "tindakan seram di
kejauhan"), mekanisme yang tidak bisa, seperti yang dijelaskan oleh teori
apa pun - itu harus diambil sebagai diberikan. Belitan kuantum memungkinkan
qubit yang dipisahkan oleh jarak yang luar biasa untuk berinteraksi satu sama
lain secara instan (tidak terbatas pada kecepatan cahaya). Tidak peduli
seberapa besar jarak antara partikel-partikel yang berkorelasi, mereka akan
tetap terjerat selama mereka diisolasi.
Secara bersama-sama, superposisi kuantum dan belitan menciptakan
kekuatan komputasi yang sangat ditingkatkan. Di mana register 2-bit di komputer
biasa dapat menyimpan hanya satu dari empat konfigurasi biner (00, 01, 10, atau
11) pada waktu tertentu, register 2-qubit di komputer kuantum dapat menyimpan
keempat angka secara bersamaan, karena setiap qubit mewakili dua nilai. Jika
lebih banyak qubit ditambahkan, peningkatan kapasitas diperluas secara
eksponensial.
Pemrograman Quantum
Mungkin yang lebih menarik daripada kekuatan komputasi
kuantum adalah kemampuan yang ditawarkan untuk menulis program dengan cara yang
benar-benar baru. Sebagai contoh, komputer kuantum dapat menggabungkan urutan
pemrograman yang akan berada di sepanjang garis "mengambil semua
superposisi dari semua perhitungan sebelumnya" - sesuatu yang tidak
berarti dengan komputer klasik - yang akan memungkinkan cara yang sangat cepat
untuk memecahkan masalah matematika tertentu. , seperti faktorisasi dalam
jumlah besar, salah satu contoh yang kita diskusikan di bawah ini.
Ada dua keberhasilan penting sejauh ini dengan pemrograman
kuantum. Yang pertama terjadi pada tahun 1994 oleh Peter Shor, (sekarang di AT
& T Labs) yang mengembangkan algoritma kuantum yang dapat secara efisien
menghitung jumlah besar. Ini berpusat pada sistem yang menggunakan teori angka
untuk memperkirakan periodisitas sejumlah besar urutan. Terobosan besar lainnya
terjadi dengan Lov Grover of Bell Labs pada tahun 1996, dengan algoritma yang
sangat cepat yang terbukti paling cepat untuk mencari melalui basis data yang
tidak terstruktur. Algoritma ini sangat efisien sehingga hanya membutuhkan,
rata-rata, sekitar akar N kuadrat (di mana N adalah jumlah total elemen)
pencarian untuk menemukan hasil yang diinginkan, dibandingkan dengan pencarian
dalam komputasi klasik, yang rata-rata membutuhkan N / 2 pencarian.
Permasalahan - Dan Beberapa Solusi
Hal di atas terdengar menjanjikan, tetapi ada rintangan luar
biasa yang masih harus diatasi. Beberapa masalah dengan komputasi kuantum
adalah sebagai berikut:
- Interferensi - Selama fase perhitungan perhitungan kuantum, gangguan sekecil apa pun dalam sistem kuantum (misalkan foton nyasar atau gelombang radiasi EM) menyebabkan komputasi kuantum runtuh, sebuah proses yang dikenal sebagai de-koherensi. Komputer kuantum harus benar-benar terisolasi dari semua gangguan eksternal selama fase perhitungan. Beberapa keberhasilan telah dicapai dengan penggunaan qubit di medan magnet yang intens, dengan penggunaan ion.
- Koreksi kesalahan - Karena benar-benar mengisolasi sistem kuantum telah terbukti sangat sulit, sistem koreksi kesalahan untuk perhitungan kuantum telah dikembangkan. Qubit bukanlah bit data digital, sehingga mereka tidak dapat menggunakan koreksi kesalahan konvensional (dan sangat efektif), seperti metode triple redundant. Mengingat sifat komputasi kuantum, koreksi kesalahan sangat penting - bahkan kesalahan tunggal dalam perhitungan dapat menyebabkan validitas seluruh komputasi runtuh. Ada banyak kemajuan di bidang ini, dengan algoritma koreksi kesalahan dikembangkan yang menggunakan 9 qubit (1 komputasi dan 8 pemasyarakatan). Baru-baru ini, ada terobosan oleh IBM yang membuat dengan total 5 qubit (1 komputasi dan 4 pemasyarakatan).
- Ketaatan Output - Terkait erat dengan dua di atas, mengambil data output setelah perhitungan kuantum adalah risiko lengkap merusak data. Dalam contoh komputer kuantum dengan 500 qubit, kita memiliki peluang 1 dalam 2 ^ 500 untuk mengamati output yang tepat jika kita mengukur output. Jadi, yang diperlukan adalah metode untuk memastikan bahwa, segera setelah semua perhitungan dibuat dan tindakan pengamatan berlangsung, nilai yang diamati akan sesuai dengan jawaban yang benar. Bagaimana ini bisa dilakukan? Ini telah dicapai oleh Grover dengan algoritma pencarian databasenya, yang bergantung pada bentuk "gelombang" khusus dari kurva probabilitas yang melekat pada komputer kuantum, yang memastikan, setelah semua perhitungan selesai, tindakan pengukuran akan melihat status kuantum mengurai jawaban yang benar.
Meskipun ada banyak masalah yang harus diatasi,
terobosan dalam 15 tahun terakhir, dan terutama di 3 terakhir, telah membuat
beberapa bentuk komputasi kuantum praktis tidak tidak layak, tetapi ada banyak
perdebatan mengenai apakah ini kurang dari satu dekade lagi atau seratus tahun
ke depan. Namun, potensi yang ditawarkan teknologi ini menarik minat yang luar
biasa baik dari pemerintah maupun sektor swasta. Aplikasi militer termasuk
kemampuan untuk memecahkan kunci enkripsi melalui pencarian kekerasan,
sementara aplikasi sipil berkisar dari pemodelan DNA ke analisis ilmu material
kompleks. Potensi inilah yang dengan cepat meruntuhkan penghalang pada
teknologi ini, tetapi apakah semua hambatan dapat dipatahkan, dan kapan, adalah
pertanyaan terbuka.
Prinsip Kerja Komputer Kuantum
Prinsip kerja dari computer kuantum yang dikembangkan adalah
menggunakan kaskade spin-molekul tunggal magnet. Para ilmuwan menunjukkan
bagaimana spin nuklir dapat dimanipulasi dengan medan listrik. Manipulasi
dengan medan listrik memungkinkan untuk beralih secara cepat dan spesifik
Komputer kuantum bekerja atas dasar prinsip-prinsip mekanika
kuantum adalah untuk menyelesaikan tugas-tugas yang jauh lebih efisien daripada
komputer klasik. Sedangkan yang kedua bekerja dengan bit yang mengasumsikan
nilai nol atau satu, komputer kuantum menggunakan apa yang disebut bit kuantum,
secara singkat disebut sebagai qubit, sebagai unit perhitungan terkecil. Mereka
juga mungkin menganggap nilai-nilai di antara keduanya. Qubit dapat bergantung
pada spin nuklir, yaitu momentum sudut intrinsik dari inti atom. Mereka
mengarahkan medan magnet ke atas (up)
atau ke bawah (down) . Interlinkage qubit dengan masing-masing hasil
lainnya kuantum campuran, atas dasar
banyak langkah perhitungan dapat dieksekusi secara paralel. Penjelasannya dapat
diamati pada gambar di bawah.
Untuk mengintegrasikan qubit spin berbasis nuklir ke sirkuit
elektronik dan secara khusus memicu proses informasi baru, manipulasi listrik
spesifik nuklir berputar diperlukan. Sebuah tim ilmuwan dari KIT dan Pusat
Nasional de la Recherche Scientifique (CNRS) di Grenoble dan Strasbourg
baru-baru ini untuk pertama kalinya berhasil dalam memanipulasi spin nuklir
tunggal dengan cara menggunakan medan listrik murni. Menurut Profesor Mario
Ruben, Kepala Bahan Molecular Research Group dari KIT Institut Nanoteknologi
(INT), "Penggunaan medan listrik
bukan medan magnet membuka jalan untuk mengatasi keadaan kuantum dalam
rangkaian elektronik konvensional," "Ada, keadaan kuantum dapat
dimanipulasi secara khusus oleh apa yang disebut arus perpindahan. Kemudian,
mereka dapat langsung dibaca secara elektronik."
Untuk percobaan mereka, para peneliti menggunakan
transistor spin-qubit nuklir yang terdiri dari molekul magnet tunggal yang
terhubung ke tiga elektroda (sumber, tiriskan, dan gerbang). Molekul magnet
tunggal adalah molekul TbPc2 - ion logam tunggal TB yang tertutup oleh molekul
phthalosianin organik karbon, nitrogen, dan atom-atom hidrogen. Kesenjangan
antara medan listrik dan spin dijembatani oleh yang disebut efek
hyperfine-Stark yang mengubah medan
listrik menjadi medan magnet lokal. Proses mekanika kuantum ini dapat
ditransfer ke semua sistem spin nuklir dan, karenanya, membuka perspektif yang
sama sekali baru untuk mengintegrasikan efek kuantum di dalam spin nuklir ke
dalam sirkuit/rangkaian elektronik.
Kegunaan Komputer Kuantum
Ini adalah salah satu contoh kecil dari kegunaan komputer kuantum. Untuk
memecahkan sebuah kode rahasia, seperti password misalnya, bergantung pada
banyaknya digit yang harus dihitung. Makin sedikit jumlah digitnya, makin
mudah. Makin banyak, tentu makin sulit. Katanya kalau digitnya misalnya sudah
mencapai 140 digit, maka untuk menemukan kombinasinya perlu waktu milyaran
tahun bagi komputer biasa untuk menemukannya! Nah bagi Komputer Kuantum, ini
bisa dipecahkan dalam waktu, beberapa puluh menit saja!
Dengan teknologi komputer kuantum kita dapat melihat secara detail
seperti apa sebenarnya bentuk dan pergerakan atom! Selain itu dapat digunakan
untuk memahami dengan lebih jelas tentang mekanika seluruh galaksi dan alam
semesta. Dapat juga digunakan untuk mempermudah penciptaan energi fusi nuklir
yang dahsyat dan aman. Memprediksi cuaca secara akurat, berbulan-bulan
sebelumnya.
Sumber :
