Apa itu komputer kuantum dan terdiri dari apa? Tidak semua komputer berhak atas nama seperti itu. Mengapa demikian dan mengapa instalasi seperti itu diperlukan, jelas Christopher Monroe, profesor di Universitas Maryland dan salah satu pemain terkemuka dalam "perlombaan kuantum" global.
Pusat Kuantum Rusia secara teratur mengadakan konferensi internasional besar di Moskow yang didedikasikan untuk pengembangan teknologi kuantum dan aplikasi praktisnya. Tidak hanya peneliti terkemuka yang mengambil bagian dalam pekerjaannya, tetapi juga perwakilan dari bisnis besar Rusia dan asing serta pejabat pemerintah.
Tahun ini, konferensi tersebut dihadiri oleh para pemimpin dari tiga tim ilmiah yang memimpin dalam penciptaan sistem komputasi kuantum yang kompleks. Selain Mikhail Lukin, seorang profesor di Universitas Harvard (AS), yang pertama kali mengumumkan pembuatan rekor komputer berkekuatan 51-qubit pada konferensi sebelumnya, Profesor Christopher Monroe dan Harmut Neven ikut ambil bagian di dalamnya.
Monroe, yang hari ini bekerja di Universitas Maryland (AS), menciptakan mesin yang memiliki kekuatan serupa hampir bersamaan dengan rekan Rusia-Amerika-nya, menggunakan prinsip yang serupa, tetapi sedikit berbeda.
Dia berbicara tentang arah di mana sistem ini berkembang, bagaimana perbedaannya dari "pesaing" dan di mana letak batas antara komputer kuantum nyata yang sepenuhnya sesuai dengan istilah ini, dan sistem komputasi yang dibangun berdasarkan prinsip klasik.
Keunggulan kuantum
Komputer kuantum adalah perangkat komputasi khusus yang kekuatannya tumbuh secara eksponensial karena penggunaan hukum mekanika kuantum dalam pekerjaannya. Semua perangkat tersebut terdiri dari qubit - sel memori dan pada saat yang sama modul komputasi primitif yang mampu menyimpan rentang nilai antara nol dan satu.
Video promosi:
Saat ini, ada dua pendekatan utama untuk pengembangan perangkat semacam itu - klasik dan adiabatik. Pendukung yang pertama mencoba membuat komputer kuantum universal, di mana qubit akan mematuhi aturan yang digunakan perangkat digital biasa. Bekerja dengan perangkat komputasi seperti itu, idealnya, tidak akan jauh berbeda dari bagaimana insinyur dan pemrogram mengoperasikan komputer konvensional.
Komputer adiabatik lebih mudah dibuat, tetapi prinsip operasinya lebih dekat dengan penambahan mesin, mistar hitung dan komputer analog di awal abad ke-20, dan bukan ke perangkat digital di zaman kita. Ada juga pendekatan hybrid yang menggabungkan fitur kedua mesin. Diantaranya, menurut Monroe, dapat dikaitkan dengan komputer Mikhail Lukin.
Menurut Monroe, hal ini disebabkan fakta bahwa sel memori di mesinnya dibangun berdasarkan ion logam tanah jarang ytterbium, yang keadaannya tidak berubah ketika dimanipulasi dengan sinar laser. Komputer kuantum Lukin, pada gilirannya, dibangun atas dasar apa yang disebut atom Rydberg, yang tidak terlindung dari pengaruh semacam itu.
Mereka adalah atom rubidium-87 atau logam alkali lainnya, yang elektron bebasnya "didorong" dalam jarak yang sangat jauh dari nukleus menggunakan gelombang laser atau gelombang radio khusus. Karena itu, ukuran atom bertambah sekitar satu juta kali lipat, yang mengubahnya menjadi qubit, tetapi, seperti yang dijelaskan Monroe, tidak mengizinkannya untuk dipindahkan tanpa merusak struktur ini dan tanpa merusak keadaan kuantum.
Tidak adanya masalah seperti itu dalam ion, menurut fisikawan Amerika, memungkinkan timnya untuk tidak menciptakan hibrida, tetapi komputer kuantum yang sepenuhnya terkontrol, yang qubitnya dapat dimanipulasi langsung oleh para ilmuwan selama komputasi.
Misalnya, tiga tahun lalu, jauh sebelum penciptaan mesin yang lebih besar, Monroe dan timnya mengumumkan bahwa mereka telah berhasil menciptakan komputer kuantum pertama yang dapat diprogram ulang, yang terdiri dari lima sel memori. Mesin sederhana ini, berkat fleksibilitasnya yang tinggi, memungkinkan fisikawan untuk menjalankan beberapa program kuantum sekaligus.
Secara khusus, mereka berhasil menjalankan algoritma Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani di komputer mini ini, serta membuat versi kuantum dari transformasi Fourier, landasan kriptografi dan pemecahannya.
Keberhasilan ini, serta kesulitan dalam menjaga sejumlah besar ion dalam perangkap, catat Monroe, mendorongnya untuk berpikir bahwa sistem komputasi kuantum harus dibangun secara modular daripada monolitik. Dengan kata lain, komputer kuantum yang "serius" tidak akan mewakili satu kesatuan, tetapi semacam jaringan, yang terdiri dari banyak modul yang serupa dan cukup sederhana.
Vakum tidak sempurna
Sistem seperti itu, seperti dicatat oleh profesor Amerika itu, sudah ada, tetapi belum digunakan dalam prototipe komputer kuantum karena satu alasan sederhana - mereka bekerja sekitar seratus kali lebih lambat daripada qubit itu sendiri. Namun demikian, dia percaya bahwa masalah ini sepenuhnya dapat dipecahkan, karena lebih bersifat rekayasa daripada bersifat ilmiah.
Masalah potensial lain yang akan mengganggu kerja komputer monolitik atau hanya komputer kuantum besar adalah bahwa ruang hampa, seperti yang dikatakan Monroe, tidak sempurna. Itu selalu mengandung sejumlah kecil molekul, yang masing-masing dapat bertabrakan dengan qubit atom dan mengganggu pekerjaan mereka.
Satu-satunya cara untuk mengatasi hal ini adalah dengan mendinginkan komputer kuantum, sedekat mungkin ke nol absolut. Tim Monroe belum terlibat dalam hal ini, karena jumlah qubit di mesin mereka kecil, tetapi di masa mendatang masalah ini pasti harus diselesaikan.
Pendekatan modular, seperti yang disarankan oleh profesor Amerika, akan menjadi cara lain untuk memecahkan masalah ini, karena akan memungkinkan pemecahan komputer menjadi banyak bagian independen yang berisi qubit dalam jumlah yang relatif kecil. Secara teori, ini tidak akan bekerja secepat mesin monolitik, tetapi akan menghindari masalah "vakum tidak sempurna", karena modul akan lebih mudah untuk didinginkan dan dikontrol.
Kapan waktu ini akan tiba? Seperti yang disarankan Monroe, dalam tiga hingga lima tahun ke depan, mesin akan dibuat yang mencakup beberapa ratus qubit. Mereka akan mampu melakukan beberapa puluh ribu operasi dan tidak memerlukan pendinginan ekstrim atau sistem koreksi kesalahan untuk beroperasi.
Mesin semacam itu akan dapat memecahkan banyak masalah praktis yang kompleks, tetapi mereka tidak akan menjadi komputer yang lengkap dalam arti kata klasik. Untuk melakukan ini, Anda perlu meningkatkan jumlah qubit dan "mengajar" mereka untuk secara mandiri memperbaiki kesalahan dalam pekerjaan mereka. Ini, menurut fisikawan itu, akan memakan waktu lima tahun lagi.
Perlombaan terakhir
Komputer kuantum kompleks pertama, menurut Monroe, akan dibangun berdasarkan teknologi ionik atau atomik, karena semua varian qubit lainnya, termasuk sel memori semikonduktor yang menjanjikan, belum mencapai tingkat perkembangan yang sama.
“Sejauh ini, ini semua adalah eksperimen laboratorium universitas. Qubit ini tidak dapat digunakan untuk membuat gerbang logika lengkap. Oleh karena itu, saya setuju dengan Mikhail bahwa rekan-rekan kami dari Australia, Intel dan tim lain harus menyelesaikan banyak masalah praktis sebelum mereka dapat membuat sistem komputasi yang lengkap,”catat fisikawan tersebut.
Bagaimana cara menentukan pemenang dalam "perlombaan kuantum" ini? Dua tahun lalu, Monroe dan rekan-rekannya mencoba menjawab pertanyaan ini dengan mengadakan pengujian komparatif pertama komputer kuantum. Mereka memilih komputer kuantum IBM berdasarkan qubit superkonduktor sebagai pesaing untuk versi pertama mesin mereka.
Untuk membandingkannya, fisikawan dan pemrogram dari University of Maryland menyiapkan set pertama "tolok ukur kuantum" - algoritme sederhana yang mengukur akurasi dan kecepatan komputer ini. Tes tersebut tidak mengungkapkan pemenang langsung - komputer Monroe dan timnya menang dengan tepat, tetapi kalah dalam kecepatan dari mesin IBM.
Pada saat yang sama, Monroe percaya bahwa apa yang disebut superioritas kuantum - penciptaan komputer kuantum, yang perilakunya tidak dapat dihitung dengan metode lain - tidak akan menjadi pencapaian ilmiah atau praktis yang serius.
“Masalahnya terletak pada konsep itu sendiri. Di satu sisi, eksperimen kami dengan lima lusin qubit, seperti eksperimen Mikhail, membantu menghitung hal-hal yang tidak dapat dihitung dengan cara lain. Di sisi lain, ini tidak bisa disebut superioritas, karena kita tidak bisa membuktikan bahwa memang tidak bisa dihitung dengan cara lain. Keunggulan kuantum akan muncul cepat atau lambat, tetapi secara pribadi saya tidak akan mengejarnya,”tegas ilmuwan itu.
Kesulitan lain terletak pada kenyataan bahwa kita belum dapat mengatakan dengan pasti masalah mana yang dapat diselesaikan oleh komputer kuantum dan di mana aplikasinya paling tepat dan berguna. Untuk ini, lingkungan ilmiah dan seluruh masyarakat perlu mulai memandang mesin seperti itu sebagai alat yang terjangkau dan universal.
Misteri kuantum alam semesta
Karena alasan ini, profesor Amerika itu tidak percaya bahwa sistem komputasi adiabatik seperti perangkat D-Wave dapat disebut komputer kuantum. Pekerjaan mereka, menurut fisikawan, didasarkan pada prinsip fisik klasik yang tidak ada hubungannya dengan mekanika kuantum nyata.
“Meskipun demikian, komputer analog seperti ini sangat menarik dari sudut pandang praktis. Anda cukup mengambil beberapa magnet, memasangnya ke jaring segitiga, dan melacak perilakunya. Eksperimen ini tidak akan ada hubungannya dengan fisika kuantum, tetapi akan memungkinkan untuk beberapa kalkulasi pengoptimalan yang kompleks. Investor tertarik dengan mereka, artinya ini tidak dilakukan dengan sembarangan,”lanjut sang guru besar.
Tugas apa yang bisa diselesaikan oleh komputer kuantum "nyata"? Seperti yang dicatat Monroe, dalam beberapa tahun terakhir, banyak tim fisikawan lain telah menghubungi timnya. Mereka berencana menggunakan mesin mereka untuk memecahkan banyak masalah ilmiah penting yang tidak dapat dihitung dengan komputer konvensional.
Sejauh ini, eksperimen yang sama, seperti diakui fisikawan, dapat dilakukan pada superkomputer biasa. Di sisi lain, di tahun-tahun mendatang, jumlah qubit dalam mesin kuantum akan meningkat secara signifikan, yang akan membuat pekerjaannya tidak dapat dihitung.
Ini akan memperluas penerapannya dan menjadikan eksperimen semacam itu salah satu cara paling menarik dan unik untuk mempelajari objek terbesar dan paling misterius di alam semesta, serta menyelesaikan banyak tugas sehari-hari, seperti menemukan rute atau mengelola ekonomi, peneliti menyimpulkan.
