Komputasi Quantum (Quantum Computation)

www.freepik.com

KONSEP DASAR QUANTUM

Quantum Computer atau komputer kuantum memanfaatkan fenomena ‘aneh’ yang disebut sebagai superposisi. Dalam mekanika kuantum, suatu partikel bisa berada dalam dua keadaan sekaligus. Inilah yang disebut keadaan superposisi. Dalam komputer kuantum, selain 0 dan 1 dikenal pula superposisi dari keduanya. Ini berarti keadaannya bisa berupa 0 dan 1, bukan hanya 0 atau 1 seperti di komputer digital biasa. Komputer kuantum tidak menggunakan Bits tetapi QUBITS (Quantum Bits). Karena kemampuannya untuk berada di bermacam keadaan (multiple states), komputer kuantum memiliki potensi untuk melaksanakan berbagai perhitungan secara simultan sehingga jauh lebih cepat dari komputer digital. Komputer kuantum menggunakan partikel yang bisa berada dalam dua keadaan sekaligus, misalnya atomatom yang pada saat yang sama berada dalam keadaan tereksitasi dan tidak tereksitasi, atau foton (partikel cahaya) yang berada di dua tempat berbeda pada saat bersamaan.

Gambar 1. Perbedaan bits dan qubits

Gambar 2. Ilustrasi register quantum

Gambar 3. Ilustrasi quantum processor

Atom memiliki konfigurasi spin. Spin atom bisa ke atas (up), bisa pula ke bawah (down). Misalnya saat spin atom mengarah ke atas (up) kita beri lambang 1, sedangkan spin down adalah 0 (seperti dalam sistem binary di komputer digital). Atom-atom berada dalam keadaan superposisi (memiliki spin up dan down secara bersamaan) sampai kita melakukan pengukuran. Tindakan pengukuran memaksa atom untuk ‘memilih’ salah satu dari kedua kemungkinan itu. Ini berarti sesudah kita melakukan pengukuran, atom tidak lagi berada dalam keadaan superposisi. Atom yang sudah mengalami pengukuran memiliki spin yang tetap: up atau down. Saat konsep ini diterapkan dalam komputer kuantum, keadaan superposisi terjadi pada saat proses perhitungan sedang berlangsung. Sistem perhitungan pada komputer kuantum ini berbeda dengan komputer digital. Komputer digital melakukan perhitungan secara linier, sedangkan komputer kuantum melakukan semua perhitungan secara bersamaan (karena ada multiple states semua perhitungan dapat berlangsung secara simultan di semua state). Ini berarti ada banyak kemungkinan hasil perhitungan. Untuk mengetahui jawabannya (hasil perhitungannya) kita harus melakukan pengukuran qubit. Tindakan pengukuran qubit ini menghentikan proses perhitungan dan memaksa sistem untuk ‘memilih’ salah satu dari semua kemungkinan jawaban yang ada Dengan sistem paralelisme perhitungan ini, kita bisa membayangkan betapa cepatnya komputer kuantum. Komputer digital yang paling canggih saat ini (setara dengan komputer kuantum 40 qubit) memiliki kemampuan untuk mengolah semua data dalam buku telepon di seluruh dunia (untuk menemukan satu nomor telepon tertentu) dalam waktu satu bulan. Jika menggunakan komputer kuantum proses ini hanya memerlukan waktu 27 menit [1].

CARA KERJA ENTANGLEMENT QUANTUM

Entanglement Quantum terjadi saat dua sistem terhubung begitu erat sehingga pengetahuan mengenai satu sistem memberi Anda pengetahuan langsung mengenai sistem yang lain, tidak peduli seberapa jauh jaraknya. Prosesor kuantum dapat menarik kesimpulan mengenai satu partikel dengan cara mengukur partikel yang lain. Misalnya, prosesor kuantum dapat menentukan bahwa jika satu qubit berputar ke atas, yang lain akan selalu berputar ke bawah, dan sebaliknya. Keterikatan kuantum memungkinkan komputer kuantum untuk memecahkan masalah kompleks lebih cepat. Saat keadaan kuantum diukur, fungsi gelombang runtuh dan Anda mengukur keadaan sebagai nol atau satu. Dalam keadaan yang diketahui atau deterministik ini, qubit bertindak sebagai bit klasik. Keterikatan adalah kemampuan qubit untuk mengorelasikan keadaannya dengan qubit lainnya [2].

Entanglement adalah korelasi kuantum antara sistem kuantum. Ketika qubit entangled, mereka membentuk sistem global sedemikian rupa sehingga keadaan kuantum masing-masing subsistem tidak dapat dijelaskan secara independen. Dua sistem terjerat ketika keadaan sistem global tidak dapat ditulis sebagai kombinasi keadaan subsistem, khususnya dua sistem terjerat ketika keadaan sistem global tidak dapat ditulis sebagai produk tensor dari keadaan subsistem . Status produk tidak mengandung korelasi. Sistem entangled quantum mempertahankan korelasi ini bahkan ketika dipisahkan dalam jarak yang jauh. Ini berarti bahwa operasi atau proses apa pun yang Anda terapkan pada satu subsistem akan berkorelasi dengan subsistem lainnya juga. Karena terdapat korelasi antara entangled quantum, pengukuran status salah satu qubit memberikan informasi tentang status qubit lainnya – properti khusus ini sangat membantu dalam komputasi kuantum [3].

TEKNIK PENGOPERASIAN DATA QUBIT

Single-qubit operations

Two-qubit operations

Seperti dalam kasus qubit tunggal, setiap transformasi kesatuan adalah operasi yang valid pada qubit. Secara umum, transformasi kesatuan pada qubit n qubit adalah matriks U ukuran 2^n×2^n (sehingga bertindak pada vektor ukuran 2^n), sehingga U^(-1)=U^† Misalnya, gerbang CNOT (controlled-NOT) adalah gerbang dua qubit yang umum digunakan dan diwakili oleh matriks kesatuan [4].

TEKNIK QUANTUM GATES

Gate-based ion trap processors

Gate-based ion trap processors adalah perangkat yang mengambil data input dan mengubahnya sesuai dengan operasi kesatuan yang telah ditentukan sebelumnya. Operasi tersebut biasanya diwakili oleh sirkuit kuantum, dan analog dengan operasi gerbang dalam elektronik tradisional. Namun, gerbang kuantum sama sekali berbeda dari gerbang elektronik. Komputer kuantum ion yang terperangkap mengimplementasikan qubit dengan menggunakan keadaan elektronik dari atom-atom bermuatan yang disebut Ion. Ion dibatasi dan ditangguhkan di atas perangkap mikrofabrikasi menggunakan medan elektromagnetik. Sistem berbasis ion terperangkap menerapkan gerbang kuantum menggunakan laser untuk memanipulasi keadaan elektronik ion. Qubit ion yang terperangkap menggunakan atom yang berasal dari alam, alih-alih membuat qubit secara sintetis [2].

Gate-based superconducting processors

Superconducting adalah seperangkat sifat fisik yang dapat Anda amati pada bahan tertentu seperti merkuri dan helium pada suhu yang sangat rendah. Dalam bahan-bahan ini, Anda dapat mengamati suhu kritis karakteristik di bawah, yang mana hambatan listriknya adalah nol dan medan fluks magnet dikeluarkan. Arus listrik melalui loop kawat superkonduktor dapat bertahan tanpa batas waktu dan tanpa sumber daya. Komputasi kuantum superkonduktor adalah implementasi dari komputer kuantum dalam sirkuit elektronik superkonduktor. Qubit superkonduktor dibangun dengan sirkuit listrik superkonduktor yang mampu bekerja pada suhu kriogenik [2].

TEKNIK ALGORITMA SHOR

Algoritma Shor, dinamai menurut nama ahli matematika Peter Shor, adalah algoritma kuantum yang dirancang untuk memfaktorkan bilangan komposit besar secara efisien. Ini adalah salah satu algoritma paling terkenal dan berpengaruh dalam komputasi kuantum, karena memberikan kecepatan eksponensial dibandingkan algoritma klasik yang paling terkenal untuk pemfaktoran. Kemampuan untuk memfaktorkan bilangan besar memiliki implikasi yang signifikan terhadap kriptografi, khususnya enkripsi RSA. Algoritma Shor dapat memfaktorkan bilangan komposit \( N \) dalam waktu polinomial, khususnya O((log N)3), dibandingkan dengan waktu eksponensial yang dibutuhkan oleh algoritma klasik. Efisiensi ini menjadikan Algoritma Shor sebagai simbol potensi kekuatan komputasi kuantum dan telah mendorong minat terhadap kriptografi pasca-kuantum, yang mencari metode kriptografi yang tahan terhadap serangan kuantum. Algoritma pemfaktoran Shor menemukan salah satu dari dua variabel yang tidak diketahui yang penting untuk memfaktorkan bilangan bulat secara efisien. Dengan dua nilai yang tidak diketahui dalam satu persamaan, menemukan kedua nilai dengan cepat menjadi sulit dilakukan secara klasik karena bilangan bulat target semakin besar. Ada algoritma klasik untuk menemukan salah satu dari nilai tersebut, namun algoritma tersebut menjadi semakin tidak efisien karena bilangan bulat target semakin besar. Dengan algoritma kuantum Shor yang menemukan nilai tersebut secara efisien, maka akan menjadi jauh lebih mudah untuk menemukan nilai lainnya. Secara khusus, bilangan bulat g yang tidak diketahui bila dikalikan dengan dirinya sendiri p kali dan modulo dibagi dengan bilangan bulat N yang ingin kita faktorkan sama dengan satu, atau gp%N=1. Kita mulai dengan mengetahui bilangan N yang ingin kita faktorkan. Algoritma Shor memperkirakan p, periode N, jadi kita hanya perlu menebak g. Menggunakan bilangan praktis terkecil N, yaitu N=15, Algoritma Shor mengembalikan periode p=4. Kita dapat melihat bahwa dengan g4%15=1 kita dapat menebak g=2, yang menghasilkan 24%15=1, atau 16%15=1, yang benar. Menebak g semakin sulit ketika N semakin besar, namun tidak sesulit menebak g dan p. Bersama-sama, kita dapat menggunakan tebakan g, periode p, dan bilangan N untuk mencari faktor dari N [5].

REFERENSI

[1] H. Saputra and P. N. Sriwijaya, “296780434,” vol. 4, no. 2, pp. 2–5, 2009.

[2] AWS, “86ca220e843be24c0773a6e14f3c4b070515b2d8 @ aws.amazon.com.” [Online]. Available: https://aws.amazon.com/what-is/quantum-computing/?nc1=h_ls.

[3] MICROSOFT, “overview-understanding-quantum-computing @ learn.microsoft.com.” [Online]. Available: https://learn.microsoft.com/id-id/azure/quantum/overview-understanding-quantum-computing.

[4] MICROSOFT, “concepts-the-qubit @ learn.microsoft.com.” [Online]. Available: https://learn.microsoft.com/en-us/azure/quantum/concepts-the-qubit.

[5] QUERA, “shors-algorithm @ www.quera.com.” [Online]. Available: https://www.quera.com/glossary/shors-algorithm.