Dasar-dasar komputasi kuantum

Tujuan pembelajaran

Di akhir modul ini, kamu seharusnya mampu:

• Membedakan komputasi kuantum dari komputasi klasik
• Membedakan qubit dari bit
• Menjelaskan konsep inti komputasi kuantum
• Mengenali perbedaan antara Gate kuantum, Circuit kuantum, dan komputer kuantum

Apa itu komputasi kuantum — dan apa yang bukan

Bisakah komputasi kuantum dilakukan pada komputer klasik? Apakah komputasi kuantum hanya bentuk lain dari AI? Katie Pizzolato, Vice President, IBM Quantum® Platform di IBM Quantum, membantah beberapa mitos komputasi kuantum dalam 60 detik.

Cara baru melihat masalah

Ada beberapa konsep yang khas untuk komputasi kuantum yang akan membantu kamu memahami potensi aplikasinya untuk organisasi atau industri kamu. Semua sistem komputasi bergantung pada kemampuan mendasar untuk menyimpan dan memanipulasi informasi. Komputer konvensional menyimpan informasi dalam bit (nol dan satu) dan komputer kuantum menggunakan qubit (diucapkan CUE-bit). Komputer kuantum memanfaatkan hukum mekanika kuantum yang ditemukan di alam. Mereka mewakili perubahan mendasar dari pemrosesan informasi konvensional.

Berikut ini metafora untuk membantu kamu memahami mengapa komputasi kuantum sangat berbeda dari komputasi konvensional. Pertimbangkan seni dan teknik fotografi sebelum dan sesudah munculnya film berwarna.

Misalnya, pertimbangkan foto hitam-putih dari ladang tulip ini dan foto berwarna tulip merah dan tulip kuning dalam sebuah ladang.

Fenomena fisik warna ada sementara fotografi terbatas pada skala abu-abu. Tetapi mengajukan pertanyaan, "Bisakah kamu menukar merah dan kuning?" akan sama sekali tidak bermakna, begitu pula upaya untuk melakukannya.

Setelah film berwarna ditemukan, ada ledakan pilihan artistik dan teknis yang tersedia bagi fotografer, karena kini mereka bisa memanipulasi fisika warna.

Komputer kuantum ada sekarang karena kita baru-baru ini menemukan cara untuk mengendalikan apa yang sudah ada di dunia sepanjang waktu ini: fenomena kuantum dari superposisi, keterikatan, dan interferensi. Bahan-bahan baru dalam komputasi ini memperluas apa yang mungkin dirancang ke dalam algoritma. Komputer kuantum menawarkan kita cara baru melihat masalah, yang dapat mengungkap solusi yang tidak terlihat oleh komputer klasik.

Sama seperti fotografi film pra-warna berganti nama menjadi "fotografi hitam-putih" setelah munculnya film berwarna, komputasi pra-kuantum membutuhkan nama baru. Istilah yang paling umum untuk komputasi pra-kuantum adalah komputasi klasik. Kata-kata "klasik" dan "kuantum" mulai memodifikasi kata "komputasi" karena inilah cara para ilmuwan sudah memodifikasi kata "fisika," seperti dalam "fisika klasik" dan "fisika kuantum."

Bagaimana komputasi kuantum berbeda dari klasik

Komputer saat ini melakukan perhitungan dan memproses informasi menggunakan model komputasi klasik, yang berakar pada karya Alan Turing dan John von Neumann. Dalam model ini, semua informasi dapat direduksi menjadi bit, yang dapat mengambil nilai 0 atau 1, dan semua pemrosesan dapat dilakukan melalui Gate logika sederhana (AND, OR, NOT, NAND) yang bekerja pada satu atau dua bit sekaligus. Pada titik manapun dalam komputasi, keadaan komputer klasik sepenuhnya ditentukan oleh keadaan semua bit-nya, sehingga komputer dengan n bit dapat berada dalam salah satu dari $2^n$ keadaan yang mungkin, mulai dari 00...0 (urutan n nol) hingga 11...1 (urutan n satu).

Kekuatan model komputasi kuantum, sementara itu, terletak pada repertoar keadaan yang jauh lebih kaya. Komputer kuantum juga memiliki bit, tetapi alih-alih 0 dan 1, bit kuantumnya, atau qubit, dapat merepresentasikan 0, 1, atau kombinasi keduanya, yang merupakan sifat yang dikenal sebagai superposisi. Ini sendiri bukan hal istimewa, karena komputer yang bit-nya dapat berada di antara 0 dan 1 hanyalah komputer analog, hampir tidak lebih kuat dari komputer digital biasa. Namun, komputer kuantum memanfaatkan jenis superposisi khusus yang memungkinkan secara eksponensial banyak keadaan logis sekaligus. Ini adalah prestasi yang kuat, dan tidak ada komputer klasik yang bisa mencapainya. Sebagian besar superposisi kuantum ini, dan yang paling berguna untuk komputasi kuantum, bersifat terikat — mereka adalah keadaan dari seluruh komputer yang tidak sesuai dengan penugasan keadaan digital atau analog dari qubit-qubit individu.

Seseorang mungkin berpikir bahwa kesulitan dalam memahami komputasi kuantum terletak pada matematika yang rumit, tetapi secara matematis, konsep kuantum hanya sedikit lebih kompleks dari aljabar SMA. Fisika kuantum itu sulit karena mengharuskan untuk menginternalisasi ide-ide yang sederhana tetapi berlawanan dengan intuisi.

Untuk mendapatkan pemahaman percakapan yang lebih baik tentang konsep inti komputasi kuantum, tonton video ini dari Talia Gershon, Director of Hybrid Cloud Infrastructure di IBM Research®. Gershon menjelaskan komputasi kuantum pada lima tingkat — kepada anak-anak, remaja, mahasiswa, mahasiswa pascasarjana, dan profesional untuk majalah WIRED. Silakan tonton hingga menit ke-06:17; namun, kamu bebas menonton seluruh video.

Cek pemahamanmu

Baca pertanyaan di bawah ini, pikirkan jawabanmu, lalu klik segitiga untuk mengungkap solusinya.

Benar atau salah: Hanya orang dengan gelar lanjutan dalam matematika dan fisika yang bisa memahami konsep komputasi kuantum.

Salah. Hanya sedikit lebih kompleks dari aljabar SMA, konsep kuantum lebih mudah diakses dari yang mungkin dipikirkan orang. Kesulitannya terletak pada sifatnya yang berlawanan dengan intuisi.

Prinsip informasi kuantum

Qubit

Dalam video berikut, Direktur Penelitian di IBM, Darío Gil, mengontraskan unit utama informasi klasik (bit) dengan unit utama informasi kuantum (qubit). Dia memandumu untuk memvisualisasikan tiga prinsip inti komputasi kuantum: superposisi, keterikatan, dan interferensi. Dengan sifat-sifat ini, algoritma kuantum dapat dikembangkan yang dapat menyelesaikan masalah bisnis yang mungkin di luar jangkauan bahkan superkomputer terbesar di dunia.

Superposisi

Superposisi adalah penjumlahan atau perbedaan berbobot dari dua keadaan atau lebih. Campuran keadaan ini sering sulit dibayangkan orang (seperti koin yang dilempar berada dalam campuran kepala dan ekor sekaligus). Tetapi ada kasus yang lebih mudah dibayangkan — misalnya, ketika sebuah akor dari beberapa not musik dimainkan di gitar. Getaran udara tidak sesuai dengan hanya satu not saja, tetapi semua. Udara bergetar dengan kombinasi frekuensi yang sesuai dengan semua not dalam akor. "Penjumlahan atau perbedaan berbobot" berarti beberapa bagian dari superposisi lebih atau kurang menonjol terwakili, seperti ketika biola dimainkan lebih keras dari instrumen lain dalam kuartet gesek. Superposisi biasa, atau klasik, umumnya terjadi dalam fenomena makroskopis yang melibatkan gelombang. Jadi superposisi mungkin sebenarnya merupakan konsep yang sudah akrab.

Yang aneh dan spesifik untuk dunia kuantum adalah bahwa, saat mengukur sistem dalam superposisi keadaan, sistem tersebut runtuh ke salah satu keadaan murni. Analogi musiknya adalah memainkan akor dari beberapa not, membiarkan akor itu merambat melalui udara ke telingamu, tetapi hanya mendengar (mengukur) salah satu dari beberapa not yang dimainkan. Tidak ada yang seperti ini di dunia makroskopis.

Bagaimana superposisi membuat komputer kuantum berbeda dari komputer klasik?

Sistem n qubit, dapat diukur berada dalam salah satu dari $2^n$ keadaan yang mungkin. Ini juga berlaku untuk bit komputer klasik, atau memang untuk kumpulan n hasil biner apa pun. Untuk mengilustrasikan ini, pertimbangkan semua kemungkinan hasil dari melempar n koin yang dapat dibedakan, masing-masing dengan dua kemungkinan sisi yang akan kita sebut "kepala" (H) dan "ekor" (T), masing-masing.

Jika kita melempar satu koin, ada dua keadaan yang mungkin: H atau T.

Jika kita melempar dua koin, ada empat keadaan yang mungkin: HH, HT, TH, dan TT.

Untuk tiga koin, kita menemukan delapan keadaan: HHH, HHT, HTH, HTT, THH, THT, TTH, TTT.

Tren berlanjut seperti ini. Setiap kali kita menambahkan koin lagi, jumlah kemungkinan hasil berlipat ganda. Jadi jumlah hasil untuk sistem n variabel biner adalah $2^n$.

Jika ini benar untuk komputer klasik dan kuantum, lalu apa yang membuat komputer kuantum begitu istimewa? Jawabannya adalah superposisi. Komputer klasik maupun kuantum dapat mengakses ruang $2^n$ keadaan yang mungkin. Tetapi komputer klasik hanya bisa berada dalam satu keadaan tersebut pada satu waktu, sedangkan komputer kuantum dapat berada dalam superposisi dari semua keadaan ini, sekaligus.

Untuk lebih konkret, misalkan kamu sedang mencari biaya minimum C yang terkait dengan beberapa proses industri. Proses ini bergantung pada banyak variabel input, yang akan kita nyatakan sebagai $x_i$. Untuk saat ini kita akan mengasumsikan variabel-variabel ini biner, meskipun kita bisa menggeneralisasi. Pada komputer klasik, kamu perlu menghitung biaya $C(x_i)$ untuk setiap kemungkinan pilihan $x_i$. Artinya, kamu harus memasukkan 0000...00, 000...01, 000...10, dan seterusnya, mencakup semua kemungkinan input. Komputer kuantum dapat berada dalam superposisi dari semua keadaan ini, sehingga operasi dapat dilakukan pada semua kemungkinan keadaan input sekaligus.

Jika itu terdengar terlalu bagus untuk menjadi kenyataan, ada komplikasinya: ingat bahwa saat mengukur sistem kuantum, kita hanya bisa mendapatkan satu hasil, bukan semua hasil dari seluruh ruang. Jadi tugasnya adalah menulis algoritma yang menyebabkan solusi optimal (seperti biaya terendah dan respons tercepat) menjadi yang akhirnya terukur. Dengan kata lain, komputer kuantum tidak mengembalikan semua kemungkinan solusi; mereka menyelidiki ruang banyak solusi secara bersamaan dan (jika algoritmanya berhasil) mereka mengembalikan solusi optimal dengan probabilitas tinggi. Untuk masalah dengan ruang solusi yang sangat besar atau langkah-langkah yang sangat mahal secara komputasi, perbedaan ini bisa mengubah permainan.

Probabilitas klasik vs. kuantum?

Keadaan kuantum mana yang diukur pada akhir perhitungan, bersifat probabilistik. Bobot yang dijelaskan di atas sesuai dengan probabilitas mengukur keadaan yang berbeda. Catatan teknis: sementara probabilitas harus positif (atau nol), bobot dalam superposisi bisa positif, negatif, atau bahkan bilangan kompleks. Probabilitasnya adalah nilai mutlak dari bobot, dikuadratkan: $P_i = |w_i|^2$. Penting untuk dicatat bahwa kata probabilitas terkadang digunakan untuk berarti hal-hal yang berbeda dalam konteks klasik dan kuantum. Misalnya, jika kamu sudah melempar serangkaian n koin, tetapi belum melihat hasilnya, sejauh yang kamu tahu setiap koin mungkin kepala atau ekor. Kamu mungkin menyebut ini sebagai campuran probabilistik dari $2^n$ keadaan. Tetapi kumpulan koin sebenarnya hanya dalam satu dari keadaan yang mungkin — kita hanya tidak tahu yang mana. Ini tidak berlaku untuk komputer kuantum. Komputer kuantum dapat menyimpan data yang sesuai dengan superposisi dari $2^n$ keadaan logis yang berbeda, sekaligus. Untuk alasan ini, superposisi kuantum lebih kuat dari probabilisme klasik. Komputer kuantum yang mampu menyimpan data mereka dalam superposisi dapat menyelesaikan beberapa masalah secara eksponensial lebih cepat dari algoritma klasik mana pun yang dikenal.

Untuk mempelajari lebih lanjut, tonton video IBM Research di YouTube tentang keacakan klasik dan kuantum.

Keterikatan

Bayangkan dua teman dengan dua selendang tipis dan transparan. Satu selendang berwarna merah, dan yang lain berwarna biru. Ketika teman-teman menumpukkan selendang di atas satu sama lain, bersama-sama tampak ungu. Jika teman-teman memegang dua selendang ini direntangkan di antara mereka, keadaan dua teman yang memegang sesuatu yang ungu sudah pasti, meskipun, jika dipisahkan, tidak diketahui teman mana yang akan memegang selendang biru dan mana yang memegang selendang merah. Keterikatan kuantum seperti ini. Keadaan seluruh sistem memiliki sifat yang diketahui (seperti warna gabungan dari dua selendang), tetapi bagian-bagian individualnya tidak memiliki sifat yang terdefinisi dengan baik (seperti setiap teman, yang tidak satu pun sedang memegang selendang dengan warna yang jelas terdefinisi). Metafora ini tidak sempurna karena setiap teman bisa memutuskan sebelumnya untuk memegang satu selendang lebih erat dari yang lain atau untuk melepaskan satu selendang atau yang lain saat dua teman bergerak menjauh. Dalam sistem kuantum, sifat-sifat bagian benar-benar tidak terdefinisi hingga pengukuran dilakukan.

Interferensi

Interferensi adalah sifat sistem kuantum di mana keadaan dengan fase yang berlawanan dapat memperkuat atau membatalkan satu sama lain. Salah satu cara untuk membayangkan interferensi adalah dengan memikirkan bagaimana lensa terpolarisasi pada kacamata hitam bekerja. Jika kamu menumpukkan dua lensa terpolarisasi satu di atas yang lain dan mulai memutar salah satunya, kamu akan melihat interferensi konstruktif dan destruktif saat lebih banyak atau lebih sedikit cahaya yang terhalangi.

Untuk lebih banyak intuisi tentang cara kerja interferensi, tonton video ini dari 7:40 hingga 8:24.

Cek pemahamanmu

Baca pertanyaan di bawah ini, pikirkan jawabanmu, lalu klik segitiga untuk mengungkap solusinya.

Fisika kuantum mengandung beberapa ide yang berlawanan dengan intuisi, seperti: (a) Sistem fisik dalam keadaan yang pasti masih dapat berperilaku secara acak. (b) Dua sistem yang terlalu jauh untuk saling memengaruhi entah bagaimana sangat berkorelasi. (c) Mungkin untuk memiliki keadaan dalam sistem kuantum yang tidak bisa dijelaskan sebagai produk dari komponen-komponen independen dari qubit-qubit yang membentuk keadaan tersebut. (d) Semua yang di atas

Jawaban yang benar adalah "Semua yang di atas." Ide pertama berkaitan dengan sifat probabilistik qubit. Dua ide lainnya muncul dalam sistem yang terikat.

Circuit kuantum

Nilai bisnis Circuit kuantum

Circuit kuantum mewakili serangkaian instruksi yang memungkinkan kita memanipulasi qubit untuk memanfaatkan superposisi, keterikatan, dan interferensi dalam menyelesaikan masalah yang kompleks. Tonton video di bawah ini untuk melihat bagaimana Circuit klasik dan kuantum dibandingkan dan bagaimana Circuit kuantum dapat memberikan nilai bagi bisnismu.

Cek pemahamanmu

Baca pertanyaan di bawah ini, pikirkan jawabanmu, lalu klik segitiga untuk mengungkap solusinya.

Benar atau salah: Circuit kuantum bukan perangkat fisik.

Benar. Circuit kuantum adalah representasi abstrak dari serangkaian instruksi yang membentuk algoritma kuantum. Kita bisa menggunakan alat visual seperti IBM Composer atau bahasa pemrograman seperti Qiskit untuk membuat Circuit kuantum.

Memprogram Circuit kuantum

Apa yang kamu butuhkan untuk memprogram komputer kuantum? Jawabannya adalah Qiskit! Pelajari cara mengucapkan kata ini dan lebih banyak lagi dalam video di bawah ini.

Poin-poin utama

Kamu bisa mengingat poin-poin utama ini:

• Masih ada masalah komputasi yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer klasik.
• Komputer kuantum memperluas apa yang mungkin dirancang ke dalam algoritma.
• Qubit adalah unit kuantum dasar informasi.
• Superposisi kuantum dapat memiliki secara eksponensial lebih banyak keadaan dari superposisi klasik.
• Superposisi kuantum lebih kuat dari probabilisme klasik tetapi lebih lemah dari paralelisme eksponensial.
• Dalam keadaan terikat, seluruh sistem berada dalam keadaan yang pasti meskipun bagian-bagiannya tidak.