Pengantar kursus

Sebelum memulai, silakan isi survei pra-kursus singkat ini, yang penting untuk membantu meningkatkan penawaran konten dan pengalaman pengguna kami.

Note: This survey is provided by IBM Quantum and relates to the original English content. To give feedback on doQumentation's website, translations, or code execution, please open a GitHub issue.

Klik di bawah untuk mendengar pengantar kursus dari Olivia Lanes, atau buka video di jendela terpisah di YouTube.

Tentang kursus ini

Selamat datang di Quantum Computing in Practice — kursus yang berfokus pada komputer kuantum saat ini dan cara menggunakannya sepenuhnya. Kursus ini mencakup kasus penggunaan potensial yang realistis untuk komputasi kuantum serta praktik terbaik untuk menjalankan dan bereksperimen dengan prosesor kuantum yang memiliki 100 qubit atau lebih.

Utilitas kuantum

Ini adalah waktu yang menarik untuk komputasi kuantum. Setelah bertahun-tahun penelitian dan pengembangan teoretis dan eksperimental, komputer kuantum mendekati titik di mana mereka bisa mulai bersaing dengan komputer klasik dan mendemonstrasikan utilitas.

Utilitas bukanlah hal yang sama dengan keunggulan kuantum, yang mengacu pada komputer kuantum yang mengungguli komputer klasik untuk tugas-tugas yang bermakna. Komputer klasik memiliki kekuatan dan kemampuan adaptasi yang luar biasa, dan faktanya adalah komputer kuantum belum bisa mengalahkan mereka. Kita telah melihat kemajuan selama puluhan tahun dalam komputasi klasik — bukan hanya dalam perangkat keras komputasi tetapi juga dalam algoritma untuk komputer klasik — dan kita bisa mengamati dengan jelas bahwa teknologi komputasi digital elektronik telah mengubah dunia kita secara radikal.

Komputasi kuantum, di sisi lain, berada pada tahap pengembangan yang berbeda. Komputasi kuantum menuntut kontrol ekstrem atas sistem mekanik kuantum dan mendorong batas teknologi saat ini — dan kita tidak bisa secara realistis berharap untuk menguasai teknologi baru ini dan mengalahkan komputasi klasik langsung dari garis start. Tapi kita melihat tanda-tanda yang menunjukkan bahwa komputer kuantum mulai menjadi kompetitif dengan metode komputasi klasik untuk tugas-tugas tertentu, yang merupakan langkah alami dalam evolusi teknologi komputasi kuantum yang dikenal sebagai utilitas kuantum.

Seiring teknologi maju dan metode baru untuk komputasi kuantum dikembangkan, kita bisa secara wajar berharap bahwa keunggulannya akan semakin nyata — tetapi ini akan membutuhkan waktu. Saat ini terjadi kita kemungkinan akan melihat interaksi bolak-balik dengan komputasi klasik: demonstrasi komputasi kuantum akan dilakukan dan komputasi klasik akan merespons, komputasi kuantum akan mengambil giliran lagi, dan polanya akan berulang. Dan suatu hari, ketika kinerja komputer kuantum tidak bisa ditandingi secara klasik, kita akan berhipotesis bahwa kita telah melihat keunggulan kuantum — tetapi bahkan saat itu kita tidak akan tahu pasti! Membuktikan hasil ketidakmungkinan untuk komputer klasik sendiri merupakan masalah yang sangat sulit sejauh yang kita ketahui.

Mensimulasikan Alam

Simulator klasik — yang berarti program komputer yang berjalan di komputer klasik yang mensimulasikan sistem fisik — bisa membuat prediksi tentang sistem mekanik kuantum. Tetapi simulator klasik bukanlah kuantum dan tidak bisa secara langsung mengemulasi sistem kuantum. Sebaliknya, mereka menggunakan perhitungan matematis untuk mendekati perilaku kuantum. Seiring ukuran sistem yang disimulasikan tumbuh, overhead yang diperlukan untuk melakukan ini meningkat secara dramatis, membatasi sistem kuantum mana yang bisa disimulasikan secara klasik, berapa lama simulasi membutuhkan, dan akurasi hasilnya.

Komputer kuantum, di sisi lain, bisa mengemulasi sistem kuantum secara lebih langsung — dan akibatnya overhead yang mereka butuhkan berkembang jauh lebih baik seiring ukuran sistem tumbuh. Faktanya, inilah ide Richard Feynman pada tahun 1980-an yang pertama kali memotivasi penyelidikan potensi komputer kuantum. Kita akan memiliki lebih banyak yang dikatakan tentang ini nanti!

Peneliti IBM® menerbitkan makalah pada tahun 2023 yang menunjukkan, untuk pertama kalinya, bahwa komputer kuantum bisa bersaing dengan teknik klasik mutakhir untuk mensimulasikan model fisik tertentu. Hasilnya masih bisa dicocokkan oleh teknik canggih yang berjalan di komputer klasik — tetapi ia mengalahkan algoritma brute-force, dan ia juga menawarkan titik data baru untuk membandingkan berbagai metode simulasi (yang tidak tepat dan tidak semua setuju dalam prediksi mereka).

Fokus pada prosesor kuantum yang lebih besar

Pengguna perangkat keras kuantum IBM sebelumnya mungkin memperhatikan bahwa prosesor lebih kecil yang sebelumnya kami buat tersedia untuk umum telah dinonaktifkan, memberi jalan bagi prosesor yang lebih besar (memiliki 100+ qubit). Prosesor lebih kecil tersebut bisa dengan mudah disimulasikan secara klasik. Jadi, meskipun mereka mewakili batu loncatan yang dapat diakses publik dalam teknologi yang terus maju, mereka tidak mungkin mendemonstrasikan utilitas kuantum: apa pun yang bisa dilakukan dengan mereka bisa dilakukan dengan simulasi klasik dengan mudah.

Sekitar 100 qubit, bagaimanapun, ini tidak lagi berlaku; prosesor kuantum dengan ukuran ini tidak lagi bisa disimulasikan secara klasik. Ini mewakili transisi fase semacamnya, ke era baru teknologi komputasi kuantum di mana potensi untuk mengungguli komputasi klasik ada. Di sinilah IBM telah memilih untuk berfokus — untuk mencari kekuatan komputasi kuantum dan menjangkau keunggulan kuantum pada akhirnya.

Kami mendorong pengguna kami untuk menggunakan perangkat baru ini sepenuhnya, untuk bereksperimen dengannya dan mendorong batasannya, dan untuk membawa pelajaran yang dipetik ke generasi prosesor kuantum berikutnya yang sedang dalam pengembangan. Tujuan kursus ini adalah untuk memungkinkan kamu melakukan ini!

Audiens dan tujuan kursus

Kursus ini untuk siapa saja yang bertujuan mengembangkan aplikasi baru untuk komputer kuantum, ingin mengembangkan pekerjaan mereka saat ini dalam komputasi kuantum, atau belajar cara menggunakan prosesor kuantum dalam alur kerja mereka. Ini mencakup tidak hanya fisikawan dan ilmuwan komputer, tetapi juga insinyur, kimiawan, ilmuwan material, dan siapa pun yang tertarik untuk menguasai perangkat keras komputasi kuantum.

Kursus ini akan bersifat hands-on dan berfokus pada penggunaan praktis komputer kuantum. Topik dan keterampilan berikut termasuk yang dicakup:

• Menjalankan pekerjaan skala utilitas pada prosesor kuantum melalui Qiskit Runtime
• Menggunakan teknik mitigasi kesalahan untuk meningkatkan hasil perangkat keras
• Area aplikasi potensial untuk komputer kuantum jangka dekat

Kursus ini tidak mencakup teori pengantar komputasi kuantum, dan mengasumsikan keakraban dasar dengan qubit dan Circuit kuantum. Kursus Basics of quantum information di platform ini mencakup materi ini, dan direkomendasikan terlebih dahulu bagi mereka yang baru mengenal komputasi kuantum.

Kisah komputasi

Komputasi kuantum adalah teknologi baru yang menarik dalam tahap awal pengembangan — tetapi hanya satu bab dalam cerita yang dimulai ribuan tahun lalu. Ini adalah kisah tentang komputasi dan berbagai hubungannya dengan dunia fisik.

Perangkat komputasi sejak zaman kuno

Sejak zaman kuno, kita sebagai manusia perlu melakukan komputasi — atau, dengan kata lain, memproses informasi sesuai aturan dan batasan tertentu — untuk memungkinkan komunikasi, konstruksi, perdagangan, sains, dan aspek kehidupan lainnya. Kita telah mencari bantuan dari dunia fisik, dan melalui penemuan yang cerdik kita telah membangun perangkat untuk membantu kita menghitung.

Dahulu kala, perangkat yang terbuat dari kayu, tulang, dan tali simpul menyimpan informasi dan memfasilitasi perhitungan. Perangkat mekanik yang dibangun dari tuas, roda gigi, dan mesin lainnya berkembang dari jam astronomi awal, ke kalkulator, ke perangkat komputasi canggih seperti differential analyzer yang memecahkan persamaan menggunakan roda dan cakram berputar. Bahkan teknologi penulisan telah memainkan peran penting dalam kisah ini dengan memungkinkan orang melakukan komputasi yang tidak mungkin mereka lakukan sebaliknya.

Ketika kita memikirkan komputer saat ini, kita cenderung memikirkan komputer digital elektronik. Tapi ini sebenarnya teknologi yang cukup baru: komputer digital elektronik pertama kali dibangun pada tahun 1940-an. (Sebagai perbandingan, sempoa Sumeria diyakini telah ditemukan antara 2700 dan 2300 SM.) Teknologi ini telah maju secara dramatis sejak saat itu dan komputer sekarang ada di mana-mana. Mereka ditemukan di rumah, tempat kerja, dan kendaraan yang mengangkut kita di antaranya, dan banyak dari kita membawanya ke mana pun kita pergi.

Kita juga memiliki superkomputer, yang merupakan kumpulan besar prosesor klasik yang kuat yang terhubung secara paralel. Mereka termasuk alat terbaik yang pernah dibangun manusia untuk memecahkan masalah yang sulit, dan kekuatan serta keandalannya terus maju. Tapi tetap saja, ada masalah komputasi penting yang bahkan raksasa ini tidak akan pernah bisa selesaikan, karena kesulitan komputasi yang inheren dari masalah-masalah ini.

Hubungan dengan dunia fisik

Komputer memiliki banyak kegunaan. Satu kegunaan penting untuk komputer adalah untuk belajar tentang dunia fisik dan lebih memahami polanya. Penggunaan historis dalam kategori ini termasuk prediksi gerhana dan pasang surut, memahami pergerakan benda astronomi, dan (dalam waktu yang lebih baru) memodelkan ledakan. Hari ini hampir tidak ada laboratorium fisika di dunia tanpa komputer.

Secara lebih umum, fisika dan komputasi selalu saling terkait. Komputasi tidak bisa ada dalam hampa: informasi membutuhkan media, dan untuk menghitung kita perlu memanfaatkan dunia fisik dengan cara tertentu. Rolf Launduer, seorang ilmuwan komputer (dan karyawan IBM), menyadari beberapa dekade lalu bahwa informasi bersifat fisik, hanya ada melalui representasi fisik. Prinsip Landauer menetapkan hubungan antara informasi dan hukum termodinamika, tetapi sebenarnya ada banyak hubungan.

Memahami dunia fisik adalah tujuan fisika sebagai disiplin, tetapi sebenarnya ini adalah jalan dua arah. Melalui pemahaman kita tentang dunia fisik, kita mampu memanfaatkan teknologi baru untuk membantu kita menghitung, dan melaluinya kita terus belajar tentang dunia fisik — pada dasarnya menarik fisika dan teknologi komputasi dengan cara bootstraps.

Hukum Moore

Hukum Moore adalah pengamatan bahwa jumlah maksimum transistor dalam sirkuit terpadu kira-kira dua kali lipat setiap 2 tahun. Selama sekitar 5 dekade terakhir, kita tidak hanya mengamati tren ini tetapi juga menikmati hasilnya. Dengan lebih banyak transistor di chip, kita bisa melakukan komputasi yang lebih kompleks dan melakukannya lebih cepat. Inilah mengapa komputer semakin lama semakin kuat.

Namun, "hukum" Moore, secara keharusan, akan berakhir. Para ahli tidak setuju kapan ini akan terjadi, dan beberapa berpendapat bahwa itu sudah terjadi. Tapi kita tahu pasti bahwa itu pasti akan berakhir karena ada batas teoritis untuk miniaturisasi komponen komputasi. Kita tidak bisa membuat transistor lebih kecil dari atom! Meskipun kedengarannya berlebihan, inilah tembok yang sedang kita dekati.

Solusinya bukan menyerah dan berkata, "Yah, itulah yang terbaik yang bisa kita lakukan." Ini bertentangan dengan sifat manusia. Sebaliknya kita harus mencari dunia fisik untuk alat komputasi baru, dan di situlah komputasi kuantum masuk.

Komputasi kuantum

Mekanika kuantum dan komputasi

Mekanika kuantum ditemukan pada awal abad ke-20, dan sudah memainkan peran penting dalam komputasi. Memang, pemahaman kita tentang mekanika kuantum telah, sebagian, membuat komputer modern menjadi mungkin. Tanpa mekanika kuantum, misalnya, sulit membayangkan hard drive solid state telah ditemukan.

Komputasi kuantum dalam teori

Ketika Richard Feynman pertama kali mengusulkan gagasan komputer kuantum pada tahun 1982, fokusnya adalah pada simulasi sistem mekanik kuantum. Perhitungan yang diperlukan untuk melakukan ini tampak terlalu sulit untuk komputer biasa — tetapi mungkin, dengan komputer yang beroperasi sesuai dengan deskripsi mekanik kuantum dari dunia, sistem-sistem tersebut bisa diemulasi secara langsung.

Hari ini ini adalah salah satu jalan yang paling menjanjikan untuk komputasi kuantum. Sejauh pemahaman kita, Alam bukanlah klasik — ini adalah kuantum. Dan dengan demikian, komputer kuantum mungkin menjadi alat yang berharga untuk memahaminya. Komputer klasik, di sisi lain, hanya bisa mendekati apa yang sebenarnya terjadi di Alam, dan dalam beberapa kasus pendekatan-pendekatan tersebut sangat terbatas.

Satu cara untuk memikirkan ini adalah melalui analogi dengan terowongan angin. Dinamika fluida terkenal sulit untuk disimulasikan dan diprediksi secara matematis. Misalnya, terlalu mahal dan tidak praktis untuk mensimulasikan mobil yang berkendara melalui angin, jadi produsen mobil sebenarnya membangun terowongan dengan angin yang bertiup dan mengendarai mobil melaluinya untuk menguji kinerjanya. Artinya, mereka menciptakan angin daripada mensimulasikannya. Membangun komputer kuantum untuk mempelajari dunia fisik agak seperti membangun terowongan angin untuk mempelajari bagaimana angin mempengaruhi mobil. Komputer kuantum bisa secara langsung mengemulasi hukum Alam pada tingkat molekuler karena mereka bertindak sesuai dengan hukum tersebut, yang berarti mereka mengemulasi Alam daripada mensimulasikannya melalui rumus dan perhitungan.

Orang-orang lain menindaklanjuti ide Feynman — dan mereka menghubungkan ide-ide ini dengan teori informasi kuantum yang sudah dalam pengembangan. Bidang informasi dan komputasi kuantum lahir. Sejak saat itu berkembang menjadi bidang studi yang kaya dan multidisiplin, dan banyak keunggulan kuantum atas informasi dan komputasi klasik telah diidentifikasi dalam berbagai pengaturan teoritis yang melibatkan komunikasi, komputasi, dan kriptografi.

Komputasi kuantum dalam praktik

Secara praktis, dua hal diperlukan untuk mentransfer jenis keunggulan teoretis ini ke keunggulan dunia nyata: perangkat itu sendiri dan metodologi untuk membuka potensinya.

Tidak seperti komputer klasik, tidak ada yang menyimpan komputer kuantum di saku belakang mereka. Sampai baru-baru ini, jika kamu ingin bereksperimen dengan komputer kuantum, kamu harus membangun dan memeliharanya sendiri (biasanya di laboratorium bawah tanah yang menyedihkan di universitas atau fasilitas penelitian), dan kamu hanya akan memiliki beberapa qubit yang sangat berisik paling banyak. Ini bukan lagi kasusnya. Pada tahun 2016, IBM Quantum® meletakkan prosesor kuantum pertama di cloud. Hanya memiliki 5 qubit dan tingkat kesalahan yang cukup tinggi, tetapi kita telah jauh berkembang sejak saat itu. Kita akan merangkum keadaan teknologi saat ini dalam bagian di bawah ini.

Selain membangun komputer kuantum, kita juga perlu mengembangkan metodologi untuk menggunakannya secara efektif. Sementara kemajuan teoretis dalam algoritma dan protokol kuantum menunjukkan potensi yang kuat, tantangan menemukan penggunaan praktis untuk komputasi kuantum masih ada di hadapan kita. Komputer kuantum saat ini belum bisa melakukan komputasi fault-tolerant yang diperlukan untuk mentransfer keunggulan teoretis yang diketahui menjadi keunggulan praktis. Tapi mereka berada di luar jangkauan simulasi komputer klasik, dan kita mungkin bertujuan untuk memanfaatkan fakta ini untuk kekuatan komputasi.

Dengan kemajuan ini kita menemukan diri kita dengan alat baru untuk komputasi, dan terserah kita untuk mencari tahu apa yang bisa kita lakukan dengannya.

Aplikasi potensial

Tidak diperkirakan bahwa komputasi kuantum akan berguna untuk mempelajari bagaimana mobil berkinerja dalam angin. Tapi ada proses fisik lain — seperti yang terlibat dalam desain baterai atau dalam reaksi kimia tertentu — di mana kemampuan komputer kuantum untuk mengemulasi Alam bisa mengarah pada keunggulan kuantum. Secara lebih umum, ada banyak masalah yang terlalu sulit atau mahal bahkan untuk superkomputer mutakhir, termasuk masalah yang sangat relevan bagi masyarakat kita. Komputasi kuantum mungkin tidak menawarkan solusi untuk semuanya, tapi bisa menawarkan solusi untuk beberapa.

Tiga area aplikasi berikut mewakili target dalam area komputasi kuantum yang berisik, sebelum implementasi koreksi kesalahan kuantum dan fault-tolerance.

• Optimasi
• Mensimulasikan Alam
• Menemukan struktur dalam data (termasuk machine learning)

Kita akan membahas topik-topik ini lebih rinci nanti dalam kursus.

Keadaan teknologi

Membangun komputer kuantum adalah tantangan teknologi yang sulit, dan baru 8 tahun sejak komputer kuantum kecil tersedia untuk umum. Dalam 8 tahun itu, kita telah membuat kemajuan di banyak bidang.

Banyak prosesor kuantum IBM sekarang dapat diakses melalui cloud, semua memiliki lebih dari 100 qubit. Tapi bukan hanya ukuran prosesor yang penting — itu hanya satu metrik yang kita perhatikan. Kualitas Gate juga telah meningkat secara dramatis, dan kami juga telah memperkenalkan metode untuk mengurangi dan memitigasi kesalahan yang melekat pada sistem kuantum, bahkan saat kami mendorong maju menuju pembuatan sistem fault-tolerant. Tiga metrik dasar — skala, kualitas, dan kecepatan — sangat penting untuk melacak peningkatan kinerja.

• Ukuran. Lebih banyak qubit jelas lebih baik, tetapi hanya jika meningkatkan jumlah tidak menurunkan kinerja (yang bisa terjadi). Sebenarnya, kita menginginkan lebih banyak qubit berkualitas baik yang tidak saling mengganggu satu sama lain melalui crosstalk ketika kita tidak menginginkannya. Cara qubit terhubung satu sama lain juga penting, dan mencari tahu cara terbaik untuk melakukan ini merupakan tantangan bagi sirkuit qubit superkonduktor.

• Kualitas. Metrik penting lainnya yang kita amati, untuk melacak peningkatan kinerja dari waktu ke waktu, adalah fidelitas Gate 2 qubit. Gate yang berjalan pada qubit tunggal tidak serentan kesalahan seperti Gate 2 qubit, yang karenanya menjadi perhatian yang lebih besar. (Gate 2 qubit juga sangat penting karena mereka bertanggung jawab untuk menciptakan entanglement antara qubit, yang dihipotesiskan menjadi salah satu fenomena fisika yang memberikan komputasi kuantum kekuatannya.)

• Kecepatan. Terakhir adalah kecepatan dan efisiensi. Singkatnya, waktu yang dihabiskan untuk menjalankan program (termasuk bagian kuantum dan klasik) harus sesingkat mungkin.

Kesimpulan

Ini benar-benar waktu yang menarik untuk bekerja di bidang komputasi kuantum: untuk pertama kalinya dalam sejarah kita bisa mulai mengeksplorasi wilayah komputasi yang melampaui komputasi klasik.

T.J. Watson pernah dengan terkenal memprediksi pasar dunia hanya untuk beberapa komputer. Kita mungkin tertawa sekarang betapa melencengnya dia — tetapi saat kita melakukan ini kita harus mengakui bahwa kita memiliki keuntungan dari penglihatan ke belakang. Dan kita juga harus mengakui bahwa, sebagai manusia, kita memiliki kecenderungan umum untuk sangat meremehkan potensi teknologi masa depan. Sekarang ketika giliran kita dan kita mengambil peran sebagai pelopor awal komputasi kuantum, kita harus mengingat hal ini.

Komputasi kuantum sering dibandingkan dengan komputasi klasik, sebagai sesuatu yang sangat berbeda dari itu dan bersaing dengannya. Tapi dari perspektif yang lebih luas, kita bisa melihat komputasi kuantum sebagai hanya satu bab lagi dalam cerita yang panjang. Sudah menjadi sifat kita sebagai manusia untuk mencari cara baru untuk menghitung dan memanfaatkan kekuatan yang disediakan alam kepada kita untuk melakukan ini. Kita telah melakukan ini selama berabad-abad. Komputasi kuantum menawarkan kita alat baru dalam upaya tersebut dan terserah kita untuk menemukan bagaimana kita bisa memanfaatkan kekuatan yang ditawarkannya kepada kita.