Pengantar Quantum Computation


#AlfanCandraSetiawan
#4IA19
#PengantarQuantumComputation
#PengantarKomputasiModern

Pengantar Quantum Computation
A. Pendahuluan
Quantum Computation atau Komputasi Kuantum terdiri dari 2 kata, yaitu kuantum dan komputasi.

Komputasi adalah suatu kegiatan menghitung atau memproses suatu imputan atau masukan kepada alat yang namanya komputer. Lalu komputer itu dengan berbagai cara sesuai pemrograman dan algoritma atau langkah-langkah proses penyelesaian menyelesaikan atau mengatasi masalah yang diinput menghasilkan suatu output atau keluaran yang menyelesaikan suatu masalah.

Sedangkan kuantum adalah Istilah Quanta (plural: quantum) dipopulerkan oleh fisika, yang merujuk pada satuan terkecil dari cahaya (foton). Penemuan sifat partikel (selain sifat gelombang) cahaya ini memulai perkembangan baru fisika, meloncat dari konsep klasik kepada konsep yang lebih modern, lazim dikenal sebagai fisika kuantum atau juga fisika modern.

Dari kedua pengertian tersebut menurut Joachim Stolze dam Dieter Suter dalam bukunya “Quantum Computing : A Short Course from Theory to Experiment”, komputasi kuantum adalah 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 adalah salah satu komputer yang belum sama sekali ada di dunia ini. Karena ini merupakan komputer yang sangat mustahil di ciptakan. Tapi mungkin saja ini bisa tercipta. Jika dikatakan, komputer kuantum hanya butuh waktu 20 menit untuk mengerjakan sebuah proses yang butuh waktu 1025 tahun pada komputer saat ini, kita tentu akan tercengang. Hal inilah yang membuat para ilmuwan begitu tertarik untuk mengembangkan kemungkinan terbentuknya komputer kuantum. Meskipun hingga saat ini belum tercipta sebuah komputer kuantum yang dibayangkan oleh para ilmuwan, kemajuan ke arah sana terus berlangsung. Bahkan yang menarik, ternyata perkembangan komputer kuantum juga mengikuti apa yang dikatakan oleh Gordan Moore sang Genius IBM “Kemampuan Prosesor akan meningkat dua kali lipat dalam jangka waktu 18 bulan”. Jika hal ini benar, para ilmuwan akan dapat membangun sebuah komputer kuantum hanya dalam waktu lima tahun ke depan. Pengertian sederhana dari computer kuantum adalah jenis chip processor terbaru yang diciptakan berdasar perkembangan mutakhir dari ilmu fisika (dan matematika) quantum. Singkatnya, chip konvensional sekarang ini perlu diganti dengan yang lebih baik. Pengertian komputer kuantum adalah merupakan suatu alat hitung yang menggunakan sebuah fenomena mekanika kuantum, misalnya superposisi dan keterkaitan, untuk melakukan operasi data.

Beberapa waktu lalu para ilmuwan di Pusat Penelitian di Almaden telah berhasil menjalankan kalkulasi komputer-kuantum yang paling rumit hingga saat ini. Mereka berhasil membuat seribu triliun molekul yang didesain khusus dalam sebuah tabung menjadi sebuah komputer kuantum 7-qubit yang mampu memecahkan sebuah versi sederhana perhitungan matematika yang merupakan inti dari banyak di antara sistem kriptografis pengamanan data (data security cryptographic system).

Keberhasilan ini memperkuat keyakinan bahwa suatu saat komputer-komputer kuantum akan mampu memecahkan problem yang demikian kompleks yang selama ini tidak mungkin dapat dipecahkan oleh superkomputer-superkomputer yang paling hebat meski dalam tempo jutaan tahun sekalipun.
  • Sejarah Singkat
A. Pada tahun 1970-an pencetusan atau ide tentang komputer kuantum pertama kali muncul oleh para fisikawan dan ilmuwan komputer, seperti Charles H. Bennett dari IBM, Paul A. Benioff dari Argonne National Laboratory, Illinois, David Deutsch dari University of Oxford, dan Richard P. Feynman dari California Institute of Technology (Caltech).
B. Feynman dari California Institute of Technology yang pertama kali mengajukan dan menunjukkan model bahwa sebuah sistem kuantum dapat digunakan untuk melakukan komputasi. Feynman juga menunjukkan bagaimana sistem tersebut dapat menjadi simulator bagi fisika kuantum.
C. Pada tahun 1985, Deutsch menyadari esensi dari komputasi oleh sebuah komputer kuantum dan menunjukkan bahwa semua proses fisika, secara prinsipil, dapat dimodelkan melalui komputer kuantum. Dengan demikian, komputer kuantum memiliki kemampuan yang melebihi komputer klasik.
D. Pada tahun 1995, Peter Shor merumuskan sebuah algoritma yang memungkinkan penggunaan komputer kuantum untuk memecahkan masalah faktorisasi dalam teori bilangan.
E. Sampai saat ini, riset dan eksperimen pada bidang komputer kuantum masih terus dilakukan di seluruh dunia. Berbagai metode dikembangkan untuk memungkinkan terwujudnya sebuah komputer yang memilki kemampuan yang luar biasa ini. Sejauh ini, sebuah komputer kuantum yang telah dibangun hanya dapat mencapai kemampuan untuk memfaktorkan dua digit bilangan. Komputer kuantum ini dibangun pada tahun 1998 di Los Alamos, Amerika Serikat, menggunakan NMR (Nuclear Magnetic Resonance).
  • Entanglement
Entanglement (belitan) merupakan fenomena ‘aneh’ yang terjadi pada Quantum Computing, fenomena ini dimanfaatkan oleh ilmuan dalam pembuatan Quantum Computing.
Jika dua atom mendapatkan gaya tertentu (outside force) kedua atom tersebut bisa masuk pada keadaan ‘entangled’. Atom-atom yang saling terhubungkan dalam entanglement ini akan tetap terhubungkan walaupun jaraknya berjauhan.
Dalam keadaan ini, perilaku dua atom yang saling berkaitan akan sama dengan atom pasangannya. Jika pada atom 1 mengalami perubahan, maka atom pasangannya juga akan berperilaku sama seperti atom 1. Keadaan ini dimanfaatkan untuk mempercepat komunikasi data pada komputer. Komunikasi menggunakan komputer kuantum bisa mencapai kecepatan yang begitu luar biasa karena informasi dari satu tempat ke tempat lain dapat ditransfer secara instant. Begitu cepatnya sehingga terlihat seakan-akan mengalahkan kecepatan cahaya.
  • Pengoperasian Data Qubit
Qubit merupakan kuantum bit, mitra dalam komputasi kuantum dengan digit biner atau bit dari komputasi klasik. Sama seperti sedikit adalah unit dasar informasi dalam komputer klasik, qubit adalah unit dasar informasi dalam komputer kuantum. Dalam komputer kuantum, sejumlah partikel elemental seperti elektron atau foton dapat digunakan (dalam praktek, keberhasilan juga telah dicapai dengan ion), baik dengan biaya mereka atau polarisasi bertindak sebagai representasi dari 0 dan / atau 1. Setiap partikel-partikel ini dikenal sebagai qubit, sifat dan perilaku partikel-partikel ini (seperti yang diungkapkan dalam teori kuantum ) membentuk dasar dari komputasi kuantum. Dua aspek yang paling relevan fisika kuantum adalah prinsip superposisi dan Entanglement.

Superposisi, pikirkan qubit sebagai elektron dalam medan magnet. Spin elektron mungkin baik sejalan dengan bidang, yang dikenal sebagai spin-up, atau sebaliknya ke lapangan, yang dikenal sebagai keadaan spin-down. Mengubah spin elektron dari satu keadaan ke keadaan lain dicapai dengan menggunakan pulsa energi, seperti dari Laser – katakanlah kita menggunakan 1 unit energi laser. Tapi bagaimana kalau kita hanya menggunakan setengah unit energi laser dan benar-benar mengisolasi partikel dari segala pengaruh eksternal? Menurut hukum kuantum, partikel kemudian memasuki superposisi negara, di mana ia berperilaku seolah-olah itu di kedua negara secara bersamaan. Setiap qubit dimanfaatkan bisa mengambil superposisi dari kedua 0 dan 1. Dengan demikian, jumlah perhitungan bahwa komputer kuantum dapat melakukan adalah 2 ^ n, dimana n adalah jumlah qubit yang digunakan. Sebuah komputer kuantum terdiri dari 500 qubit akan memiliki potensi untuk melakukan 2 ^ 500 perhitungan dalam satu langkah. Ini adalah jumlah yang mengagumkan – 2 ^ 500 adalah atom jauh lebih dari yang ada di alam semesta (ini pemrosesan paralel benar – komputer klasik saat ini, bahkan disebut prosesor paralel, masih hanya benar-benar melakukan satu hal pada suatu waktu: hanya ada dua atau lebih dari mereka melakukannya). Tapi bagaimana partikel-partikel ini akan berinteraksi satu sama lain? Mereka akan melakukannya melalui belitan kuantum.
  • Algoritma 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.
A. 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 Shor terdiri dari dua bagian:
1. Penurunan yang bisa dilakukan pada komputer klasik, dari masalah anjak untuk masalah ketertiban temuan.
2. Sebuah algoritma kuantum untuk memecahkan masalah order-temuan.

Hambatan runtime dari algoritma Shor adalah kuantum eksponensial modular yang jauh lebih lambat dibandingkan dengan kuantum Transformasi Fourier dan pre-/post-processing klasik. Ada beberapa pendekatan untuk membangun dan mengoptimalkan sirkuit untuk eksponensial modular. Yang paling sederhana dan saat ini yaitu pendekatan paling praktis adalah dengan menggunakan meniru sirkuit aritmatika konvensional dengan gerbang reversibel , dimulai dengan penambah ripple-carry. Sirkuit Reversible biasanya menggunakan nilai pada urutan n ^ 3, gerbang untuk n qubit. Teknik alternatif asimtotik meningkatkan jumlah gerbang dengan menggunakan kuantum transformasi Fourier , tetapi tidak kompetitif dengan kurang dari 600 qubit karena konstanta tinggi.

B. 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.

Bila kita menggunakan komputer konvensional untuk melakukan pemfaktoran bilangan-bilangan besar, setiap penambahan digit akan melipatduakan waktu yang dibutuhkan untuk menemukan faktor-faktornya. Sebaliknya, waktu untuk melakukan pemfaktoran dengan menggunakan komputer kuantum hanya akan bertambah panjang secara konstan bila sebuah digit ditambahkan ke bilangan yang akan difaktorkan tersebut.

Sumber Materi:



Komentar

Posting Komentar

Postingan Populer