Quantum Computing

1. Quantum Computation

Komputasi kuantum bukan tentang mengubah substrat fisik tempat komputasi dilakukan dari klasik ke kuantum, melainkan mengubah gagasan komputasi itu sendiri. Perubahan dimulai pada tingkat paling dasar: unit dasar komputasi tidak lagi bit, melainkan bit kuantum atau qubit. Menempatkan komputasi pada fondasi mekanika kuantum mengarah pada penemuan algoritma yang lebih cepat, mekanisme kriptografi baru, dan protokol komunikasi yang lebih baik.

Frase komputasi kuantum tidak sejajar dengan frase komputasi DNA atau komputasi optik: ini menggambarkan substrat di mana komputasi dilakukan tanpa mengubah gagasan komputasi. Komputer klasik, yang kita semua miliki di meja kita, menggunakan mekanika kuantum, tetapi mereka menghitung menggunakan bit, bukan qubit. Karena alasan ini, mereka tidak dianggap sebagai komputer kuantum. Komputer kuantum atau klasik mungkin atau mungkin bukan komputer optik, tergantung pada apakah perangkat optik digunakan untuk melakukan perhitungan. Apakah komputer itu kuantum atau klasik tergantung pada apakah informasi itu direpresentasikan dan dimanipulasi dengan cara kuantum atau klasik. Ungkapan komputasi kuantum lebih dekat karakternya dengan komputasi analog karena model komputasi untuk komputasi analog berbeda dari komputasi standar: kontinum nilai, bukan hanya kumpulan diskrit, diperbolehkan. Sementara frase paralel, dua model sangat berbeda dalam komputasi analog yang tidak mendukung keterjeratan, sumber daya kunci untuk komputasi kuantum, dan pengukuran register komputer kuantum hanya dapat menghasilkan kecil, set nilai diskrit. Selain itu, sementara qubit dapat mengambil nilai kontinum, dalam banyak hal qubit menyerupai bit, dengan dua nilai diskritnya, lebih dari yang dilakukannya pada komputasi analog. Sebagai contoh, hanya satu bit informasi yang dapat diekstraksi dari qubit dengan pengukuran.

2. Entanglement Quantum

Pada awal 1980-an, beberapa peneliti menyadari bahwa mekanika kuantum memiliki implikasi tak terduga untuk pemrosesan informasi. Charles Bennett dan Gilles Brassard, membangun gagasan tentang Stephen Wiesner, menunjukkan bagaimana sifat nonklasik dari pengukuran kuantum menyediakan mekanisme yang terbukti aman untuk membangun kunci kriptografi. Richard Feynman, Yuri Manin, dan lainnya mengakui bahwa fenomena fenomena kuantum tertentu yang terkait dengan apa yang disebut entangled particles - tidak dapat disimulasikan secara efisien oleh mesin Turing. Pengamatan ini menimbulkan spekulasi bahwa mungkin fenomena kuantum ini dapat digunakan untuk mempercepat komputasi secara umum. Program semacam itu membutuhkan pemikiran ulang model teoretis informasi yang mendasari komputasi, mengeluarkannya dari ranah klasik murni.

Komputer quantum memiliki fungsi kerja yang mirip dengan komputer klasik, namun terbentuk dan memiliki cara kerja yang berbeda. Komputer klasik memiliki memori yang tersusun atas bit-bit. Tiap bit ini tersusun atas 0 dan 1.

3. Data Qubit

Quantum Bit adalah unit dasar informasi dalam pemrosesan informasi kuantum dengan cara yang sama seperti bit adalah unit dasar informasi untuk pemrosesan klasik.

Qubit adalah versi kuantum dari bit klasik. Sama seperti bit, qubit memiliki dua status dan dapat mewakili informasi dalam format biner. Namun, qubit bisa eksis di kedua negara pada saat yang sama karena superposisi. Informasi yang terkandung dalam satu qubit dapat

dijelaskan oleh dua bilangan kompleks dan biasanya ditulis sebagai:

α |0⟩ + β |1⟩

Sama seperti ada banyak cara untuk mewujudkan bit klasik secara fisik (dua level tegangan, menyalakan atau mematikan lampu dalam array, posisi sakelar), ada banyak cara untuk mewujudkan bit kuantum secara fisik.

Seperti yang dilakukan dalam ilmu komputer klasik, kita jarang memperhatikan bagaimana bit kuantum direalisasikan. Namun, demi menggambarkan secara konkret bit kuantum dan sifat-sifatnya.

Perilaku foton terpolarisasi, salah satu dari banyak kemungkinan realisasi Quantum Bit.

Komputer quantum terdiri dari sekumpulan qubits. Sebuah qubit bisa merepresentasikan nilai satu atau nol, atau berada pada quantum superposition dari dua state tersebut. Sepasang qubit akan mampu berada pada 4 state quantum superposition, dan tiga qubit pada 4 state quantum superposition. Secara umum sebuah komputer kuantum dengan n qubit akan bisa berada pada 2^n state berbeda dalam waktu yang sama. Sedangkan pada komputer biasa hanya 1 state dari tiap 2^n state itu dalam satu waktu.

4. Quantum Gates

Hal yang menarik mengenai mesin komputer yang ada dewasa ini adalah 'odal'nya dan relatif sangat sederhana. Dimulai dengan peranannya sebagai mesin hitung, bilangan-bilangan diubah menjadi sistem "biner yang hanya meng enal angka 0 dan l saja. Hal itu dilakukan agar dapat dioperasikan bukan secara manual melainkan dalam bentuk rangkaian listrik dengan misaln ya menyatakan bahwa 0 itu berarti lampu padam dan 1 iu berarti lampu menyala Elemen dasar yang menjadi andalannya 'gate' yang jumlahnya hanya ada 3 saja, yaitu : NOT, OR dan AND.

NOT mengubah menjadi padam dan sebaliknya. OR memerlukan dua masukan dengan hanya satu keluaran, begitu dengan gerbang AND. Aurannya dapat dibayangkan sebaga rangkaian dua switch. untuk

AND dua switch tadi diletakkan secara seri, sedangkan untuk OR kedua switch tadi diletakkan secara paralel.

Hanya dengan modal gate NOT, OR dan AND tadi seluruh komputasi seperti yang kita saksikan sekarang ini bekerja, termasuk untuk musik, lukisan, animasi, dsb.

5. Algoritma Shor

Pada awal 1990-an, para peneliti mengembangkan algoritma kuantum pertama yang benar-benar kuantum. Terlepas dari sifat probabilistik mekanika kuantum, algoritma kuantum pertama, yang keunggulan atas algoritma klasik dapat dibuktikan, memberikan jawaban yang benar dengan pasti. Mereka memperbaiki algoritma klasik dengan memecahkan dalam waktu polinomial dengan pasti masalah yang dapat diselesaikan dalam waktu polinomial hanya dengan probabilitas tinggi menggunakan teknik klasik. Hasil seperti itu tidak ada kepentingan praktis langsung, karena ketidakmungkinan membangun mesin yang sempurna mengurangi setiap mesin praktis yang menjalankan algoritma apa pun untuk memecahkan masalah hanya dengan probabilitas tinggi. Tetapi hasil seperti itu memiliki minat teoretis yang tinggi, karena mereka menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa komputasi kuantum secara teoritis lebih kuat daripada komputasi klasik untuk masalah komputasi tertentu.

Hasil ini menarik minat berbagai peneliti, termasuk Peter Shor, yang pada tahun 1994 mengejutkan dunia dengan algoritme kuantum waktu polinomialnya untuk memfaktorkan bilangan bulat. Hasil ini memberikan solusi untuk masalah kepentingan praktis yang dipelajari dengan baik. Solusi polinomial-waktu klasik telah lama dicari, sampai pada titik di mana dunia merasa cukup yakin bahwa tidak ada solusi seperti itu sehingga banyak protokol keamanan, termasuk algoritma RSA yang banyak digunakan, mendasarkan keamanannya sepenuhnya pada kesulitan komputasi dari masalah ini. Tidak diketahui apakah ada solusi klasik yang efisien, jadi hasil Shor tidak membuktikan bahwa komputer kuantum dapat memecahkan masalah lebih efisien daripada komputer klasik. Tetapi bahkan dalam kejadian yang tidak mungkin bahwa algoritma klasik polinomial-waktu ditemukan untuk masalah ini, itu akan menjadi indikasi keanggunan dan efektivitas sudut pandang teori informasi kuantum bahwa algoritma kuantum, terlepas dari semua yang tidak intuitif aspek mekanika kuantum, lebih mudah ditemukan.

Sementara hasil Shor memicu banyak minat di lapangan, keraguan tentang signifikansi praktisnya tetap ada. Sistem kuantum terkenal rapuh. Sifat-sifat kunci, seperti keterjeratan kuantum, mudah terganggu oleh pengaruh lingkungan yang menyebabkan keadaan kuantum terurai.

Sifat mekanika kuantum, seperti ketidakmungkinan menyalin secara andal keadaan kuantum yang tidak diketahui, membuatnya tampak tidak mungkin bahwa teknik koreksi kesalahan yang efektif untuk komputasi kuantum dapat ditemukan. Karena alasan ini, tampaknya tidak mungkin komputer kuantum yang andal dapat dibangun.

Daftar Pustaka:

Quantum Computing: A Gentle Introduction | Eleanor Rieffel, Wolfgang Polak

R Dewi, MR Lubis - JEPIN (Jurnal Edukasi dan Penelitian Informatika) - jurnal.untan.ac.id

BS Brotosiswojo - Indonesian Journal of Physics, 2002 - ijphysics.fi.itb.ac.id