Perlombaan sedang berlangsung. Perusahaan-perusahaan terkemuka dunia sedang mencoba untuk menciptakan komputer kuantum pertama, berdasarkan teknologi yang telah lama menjanjikan para ilmuwan untuk membantu mengembangkan bahan-bahan baru yang menakjubkan, enkripsi data yang sempurna, dan secara akurat memprediksi perubahan dalam iklim bumi. Mesin seperti itu mungkin akan muncul tidak lebih dari sepuluh tahun dari sekarang, tetapi ini tidak menghentikan IBM, Microsoft, Google, Intel, dan lainnya. Mereka benar-benar memotong bit kuantum - atau qubit - ke dalam chip prosesor, secara harfiah. Tetapi jalan menuju komputasi kuantum melibatkan lebih dari sekadar memanipulasi partikel subatomik.
Sebuah qubit dapat mewakili 0 dan 1 pada saat bersamaan, berkat fenomena superposisi kuantum yang unik. Hal ini memungkinkan qubit untuk melakukan sejumlah besar komputasi pada saat yang sama, meningkatkan kecepatan dan kapasitas komputasi secara signifikan. Tetapi ada berbagai jenis qubit, dan tidak semuanya dibuat sama. Dalam chip kuantum silikon yang dapat diprogram, misalnya, nilai bit (1 atau 0) ditentukan oleh arah rotasi elektronnya. Namun, qubit sangat rapuh, dan beberapa membutuhkan suhu setinggi 20 milikelvin - 250 kali lebih dingin daripada di luar angkasa - agar tetap stabil.
Tentu saja, komputer kuantum bukan hanya prosesor. Sistem generasi mendatang ini akan membutuhkan algoritme baru, perangkat lunak baru, koneksi, dan banyak teknologi yang belum ditemukan yang memanfaatkan kekuatan komputasi kolosal. Selain itu, hasil kalkulasi perlu disimpan di suatu tempat.
"Jika tidak sesulit itu, kami sudah melakukannya," kata Jim Clark, direktur perangkat keras kuantum di Intel Labs. Di CES tahun ini, Intel meluncurkan prosesor 49 qubit, dengan nama sandi Tangle Lake. Beberapa tahun yang lalu, perusahaan menciptakan lingkungan virtual untuk menguji perangkat lunak kuantum; ia menggunakan superkomputer Stampede yang kuat (di University of Texas) untuk mensimulasikan prosesor 42-qubit. Namun, untuk benar-benar memahami bagaimana menulis perangkat lunak untuk komputer kuantum membutuhkan simulasi ratusan atau bahkan ribuan qubit, kata Clarke.
Scientific American mewawancarai Clarke tentang pendekatan berbeda untuk membangun komputer kuantum, mengapa mereka begitu rapuh, dan mengapa semuanya memakan waktu begitu lama. Ini akan menarik untukmu.
Apa perbedaan komputasi kuantum dari komputasi tradisional?
Video promosi:
Metafora umum yang digunakan untuk membandingkan dua jenis perhitungan adalah koin. Dalam prosesor komputer tradisional, transistor adalah kepala atau ekor. Tetapi jika Anda bertanya ke sisi mana koin itu menghadap saat berputar, Anda akan menjawab bahwa jawabannya bisa keduanya. Beginilah cara kerja komputasi kuantum. Alih-alih bit biasa yang mewakili 0 atau 1, Anda memiliki bit kuantum yang mewakili 0 dan 1 pada saat yang sama sampai qubit berhenti berputar dan memasuki kondisi istirahat.
Ruang negara - atau kemampuan untuk mengulang sejumlah besar kemungkinan kombinasi - adalah eksponensial dalam kasus komputer kuantum. Bayangkan saya memiliki dua koin di tangan saya dan saya melemparkannya ke udara pada saat yang bersamaan. Saat mereka berputar, mereka mewakili empat kemungkinan keadaan. Jika saya melempar tiga koin ke udara, mereka mewakili delapan kemungkinan keadaan. Jika saya melempar lima puluh koin ke udara dan menanyakan berapa banyak negara bagian yang mereka wakili, jawabannya adalah angka yang bahkan superkomputer terkuat di dunia tidak dapat menghitungnya. Tiga ratus koin - masih angka yang relatif kecil - akan mewakili lebih banyak keadaan daripada atom di alam semesta.
Mengapa qubit begitu rapuh?
Kenyataannya adalah bahwa koin, atau qubit, akhirnya berhenti berputar dan runtuh ke keadaan tertentu, baik itu kepala atau ekor. Tujuan komputasi kuantum adalah menjaganya tetap berputar dalam superposisi dalam sekumpulan status untuk waktu yang lama. Bayangkan koin berputar di atas meja saya dan seseorang mendorong meja. Koin bisa jatuh lebih cepat. Kebisingan, perubahan suhu, fluktuasi listrik, atau getaran semuanya dapat mengganggu pengoperasian qubit dan menyebabkan hilangnya datanya. Salah satu cara untuk menstabilkan jenis qubit tertentu adalah dengan membuatnya tetap dingin. Qubit kami bekerja dalam lemari es berukuran 55 galon barel dan menggunakan isotop helium khusus untuk mendinginkannya mendekati nol mutlak.
Apa perbedaan jenis qubit satu sama lain?
Ada tidak kurang dari enam atau tujuh jenis qubit, dan sekitar tiga atau empat di antaranya secara aktif dipertimbangkan untuk digunakan di komputer kuantum. Perbedaannya adalah bagaimana memanipulasi qubit dan membuat mereka berkomunikasi satu sama lain. Anda memerlukan dua qubit untuk berkomunikasi satu sama lain agar dapat melakukan penghitungan "terjerat" yang besar, dan berbagai jenis qubit terjerat dengan cara yang berbeda. Jenis yang telah saya jelaskan yang membutuhkan pendinginan ekstrem disebut sistem superkonduktor, yang mencakup prosesor Tangle Lake dan komputer kuantum yang dibuat oleh Google, IBM, dan lainnya. Pendekatan lain menggunakan muatan osilasi dari ion yang terperangkap - ditahan di ruang vakum oleh sinar laser - yang bertindak sebagai qubit. Intel tidak mengembangkan sistem ion yang terperangkap karena memerlukan pengetahuan mendalam tentang laser dan optik,kita tidak bisa melakukannya.
Namun, kami mempelajari tipe ketiga, yang kami sebut qubit spin silikon. Mereka terlihat persis seperti transistor silikon tradisional, tetapi beroperasi pada satu elektron. Spin qubit menggunakan pulsa gelombang mikro untuk mengontrol putaran elektron dan melepaskan gaya kuantumnya. Teknologi ini saat ini kurang matang dibandingkan teknologi qubit superkonduktor, tetapi bisa dibilang jauh lebih mungkin untuk berkembang dan menjadi sukses secara komersial.
Bagaimana cara menuju titik ini dari sini?
Langkah pertama adalah membuat chip kuantum ini. Pada saat yang sama, kami telah melakukan simulasi pada superkomputer. Untuk menjalankan simulator kuantum Intel, dibutuhkan sekitar lima triliun transistor untuk mensimulasikan 42 qubit. Diperlukan satu juta qubit atau lebih untuk mencapai jangkauan komersial, tetapi memulai dengan simulator seperti ini dapat membangun arsitektur dasar, kompiler, dan algoritme. Sampai kita memiliki sistem fisik yang akan mencakup dari beberapa ratus hingga seribu qubit, tidak jelas jenis perangkat lunak apa yang dapat kita jalankan padanya. Ada dua cara untuk meningkatkan ukuran sistem seperti itu: satu dengan menambahkan lebih banyak qubit, yang akan membutuhkan lebih banyak ruang fisik. Masalahnya adalah jika tujuan kita adalah membangun komputer dengan sejuta qubit, matematika tidak akan memungkinkan mereka untuk berskala dengan baik. Cara lain adalah dengan memampatkan dimensi internal dari sirkuit terintegrasi, tetapi pendekatan ini akan membutuhkan sistem superkonduktor, yang pasti sangat besar. Spin qubit satu juta kali lebih kecil, jadi kami mencari solusi lain.
Selain itu, kami ingin meningkatkan kualitas qubit, yang akan membantu kami menguji algoritme dan membangun sistem kami. Kualitas mengacu pada keakuratan informasi yang dikomunikasikan dari waktu ke waktu. Sementara banyak bagian dari sistem semacam itu akan meningkatkan kualitas, keuntungan terbesar akan datang dari pengembangan material baru dan peningkatan akurasi pulsa gelombang mikro dan elektronik kontrol lainnya.
Baru-baru ini, Subkomite AS untuk Perdagangan Digital dan Perlindungan Konsumen mengadakan dengar pendapat tentang komputasi kuantum. Apa yang ingin diketahui legislator tentang teknologi ini?
Ada beberapa audiensi yang terkait dengan komite yang berbeda. Jika kita mengambil komputasi kuantum, kita dapat mengatakan bahwa ini adalah teknologi komputasi untuk 100 tahun mendatang. Wajar jika AS dan pemerintah lain tertarik dengan peluang mereka. Uni Eropa memiliki rencana multi-miliar dolar untuk mendanai penelitian kuantum di seluruh Eropa. China musim gugur lalu mengumumkan basis penelitian $ 10 miliar yang akan fokus pada informatika kuantum. Pertanyaannya, apa yang bisa kita lakukan sebagai negara di tingkat nasional? Strategi nasional untuk komputasi kuantum harus dijalankan oleh universitas, pemerintah, dan industri, bekerja sama dalam berbagai aspek teknologi. Standar pasti diperlukan dalam hal komunikasi atau arsitektur perangkat lunak. Persalinan juga menjadi masalah. Sekarang, jika saya membuka lowongan untuk pakar komputasi kuantum, dua pertiga pelamar kemungkinan besar berada di luar AS.
Apa dampak komputasi kuantum terhadap pengembangan kecerdasan buatan?
Biasanya, algoritme kuantum pertama yang diajukan akan berfokus pada keamanan (misalnya kriptografi) atau kimia dan pemodelan material. Ini adalah masalah yang pada dasarnya tidak terpecahkan untuk komputer tradisional. Namun, ada banyak sekali startup dan kelompok ilmuwan yang mengerjakan pembelajaran mesin dan AI dengan memperkenalkan komputer kuantum, bahkan yang teoretis. Mengingat kerangka waktu yang diperlukan untuk pengembangan AI, saya berharap chip tradisional dioptimalkan secara khusus untuk algoritma AI, yang pada gilirannya akan berdampak pada pengembangan chip kuantum. Bagaimanapun, AI pasti akan mendapat dorongan dari komputasi kuantum.
Kapan kita akan melihat komputer kuantum yang berfungsi memecahkan masalah dunia nyata?
Transistor pertama dibuat pada tahun 1947. Sirkuit terpadu pertama dilakukan pada tahun 1958. Mikroprosesor pertama Intel - yang berisi sekitar 2.500 transistor - tidak keluar sampai tahun 1971. Masing-masing pencapaian ini telah dipisahkan selama lebih dari satu dekade. Orang-orang berpikir bahwa komputer kuantum sudah dekat, tetapi sejarah menunjukkan bahwa kemajuan membutuhkan waktu. Jika dalam 10 tahun kita memiliki komputer kuantum dengan beberapa ribu qubit, itu pasti akan mengubah dunia seperti yang dilakukan oleh mikroprosesor pertama.
Ilya Khel
