Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Mengenal Komputer Kuantum

Komputer klasik sudah tamat, hiduplah komputer kuantum!

Pernyataan ini mungkin cukup mengguncangkan bagi kita yang terbiasa berpikir bahwa komputer dapat melakukan segalanya dan tak pernah salah. Namun, bisa saja saat ini kita sedang berada di awal era baru, yakni era komputer kuantum. Komputer ini memiliki kemampuan untuk menyaring, memilah, dan menganalisis data yang hampir tak terbayangkan, yang bahkan bisa membuat superkomputer di masa sekarang tampak seperti komputer di zaman batu. Apakah betul seperti itu? Mari kita kenali komputer kuantum dengan lebih baik.

Komputer kuantum adalah alat yang menggunakan prinsip-prinsip teori kuantum untuk mengolah informasi. Teori kuantum dalam fisika mencoba menjelaskan perilaku objek-objek yang sangat kecil, seperti molekul, atom, dan partikel. Dunia mikroskopis ini sangat berbeda dengan dunia makroskopis sehari-hari. Dalam dunia kuantum, materi dapat berperilaku seperti partikel dan gelombang. Hal ini disebut dualisme partikel-gelombang yang merupakan salah satu keunikan dari teori kuantum.

Untuk menggambarkan perbedaan partikel dan gelombang, bayangkan ada seutas tali dan beberapa kelereng kecil yang dilubangi di kedua sisinya yang dapat digunakan untuk memasukkan tali tersebut. Sekarang, kita memiliki sejumlah kelereng yang dapat meluncur dengan bebas di antara tali. Pada setiap saat, kita dapat menyatakan dengan pasti di mana posisi kelereng di tali. Fisikawan menyebut bahwa kelereng tersebut terlokalisasi. Dalam hal ini, kelereng-kelereng itu berperilaku seperti partikel.

Selanjutnya, kita lepaskan kelereng-kelereng tadi dari tali dan kita ikat salah satu ujung dari tali ke dinding. Ujung tali yang lain kita pegang dan ayun ke atas dan ke bawah. Maka, kita akan mendapatkan gelombang yang merambat dari satu ujung tali ke ujung lainnya. Kita tidak dapat mengatakan posisi pasti si gelombang, kita hanya tahu bahwa gelombang terdapat di sepanjang tali tersebut.

Kemampuan partikel yang dapat berperilaku seperti gelombang ini membuat partikel dapat berada di lebih dari satu state (keadaan) dalam suatu waktu. Fenomena ini disebut sebagai superposisi kuantum. Konsekuensi dari kemungkinan ini seringkali sulit dipahami oleh banyak orang. Kita ambil contoh, sakelar lampu yang dipakai sehari-hari dapat berada dalam keadaan on (hidup) atau off (mati). Namun, ketika sakelar diciutkan ke skala atomik, sakelar kuantum tidak hanya dapat berada di keadaan on atau off, tetapi juga di keadaan campuran (mixed states) yang merupakan kombinasi on dan off secara bersamaan.

Komputer kuantum dapat memproses semua jenis informasi yang diproses komputer klasik. Sebagai tambahannya, komputer kuantum dapat menggunakan sifat unik (dan aneh) superposisi kuantum untuk melakukan komputasi yang tidak dapat dilakukan oleh komputer klasik.

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 chip komputer 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].

Ilmu seputar prinsip kerja komputer kuantum merupakan irisan sains komputer dan fisika kuantum. Sumber gambar: http://www.cnet.com/news/microsoft-explains-quantum-computing-so-even-you-can-understand/

Ilmu seputar prinsip kerja komputer kuantum merupakan irisan sains komputer dan fisika kuantum. Sumber gambar: http://www.cnet.com/news/microsoft-explains-quantum-computing-so-even-you-can-understand/

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 on dan 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].

Merealisasikan Komputer Kuantum

Dalam komputer konvensional, informasi disampaikan sebagai bilangan biner, 0 atau 1, yang disebut bit. Sementara itu, komputer kuantum menggunakan qubit (quantum bit) yang dapat berada dalam keadaan 0, 1, atau superposisi 0 dan 1.

Ed62-fisika-2

Untuk membuat komputer kuantum, kita membutuhkan sejumlah besar qubit yang dapat bekerja bersama-sama secara terkontrol untuk melakukan komputasi. Qubit bisa dibuat dari foton, atom, elektron, molekul atau objek kuantum lainnya, yakni setiap objek yang sifat dualisme partikel dan gelombangnya cukup kentara. Sayangnya, qubit sangat susah untuk dimanipulasi karena keadaan superposisi kuantum dari qubit dengan mudah dihancurkan dengan sedikit gangguan saja. Fenomena terkait hal ini dikenal sebagai decoherence, yang membuat qubit tidak dapat bekerja sebagaimana harusnya. Nah, riset untuk membuat komputer kuantum pada masa sekarang ini banyak difokuskan untuk menghilangkan decoherence tersebut.

Komputer kuantum secara nyata dan fisik yang layaknya komputer konvensional memang belum benar-benar hadir di hadapan kita. Tetapi, para fisikawan optimistis, dengan algoritma kuantum yang sudah mapan disertai perkembangan peralatan eksperimen, mudah-mudahan komputer kuantum komersial bisa segera kita nikmati. Faktanya, saat ini bahkan sudah ada perusahaan bernama D-wave (http://www.dwavesys.com/) yang mulai mengomersialkan desain komputer kuantum dan algoritma kuantum. Selain itu, ada Alibaba, Google, dan Microsoft yang secara independen masuk investasi serta riset ke arah komersialisasi komputer kuantum. Tentunya kita berharap akan ada orang Indonesia pula yang turut berkontribusi dalam bidang ini.

Bahan bacaan:

  • Deutsch, David, and Richard Jozsa. Rapid solution of problems by quantum computation.Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. Vol. 439. No. 1907. The Royal Society, 1992.
  • Shor, Peter W. Polynomial-time algorithms for prime faktorization and discrete logarithms on a quantum komputer. SIAM review2 (1999): 303-332.
  • Grover, Lov K. A fast quantum mechanical algorithm for database search. Proceedings of the twenty-eighth annual ACM symposium on Theory of computing. ACM, 1996.
  • http://www.cnet.com/news/microsoft-explains-quantum-computing-so-even-you-can-understand/

Penulis:
Muhandis Shiddiq, peneliti fisika di Universitas Teknik Dortmund, Jerman.
Kontak: muhandis.shiddiq@gmail.com