Quantum Computation

Quantum Computation

Pengertian dan Sejarah

Quantum Computation dalam Bahasa Indonesia komputasi kuantum adalah alat hitung yang menggunakan sebuah fenomena mekanik kuantum, misalnya superposisi dan keterkaitan, untuk melakukan operasi data. Dalam komputasi klasik, jumlah data dihitung dengan bit dalam komputer kuantum, hal ini dilakukan dengan qubit. Prinsip dasar komputer kuantum adalah bahwa sifat kuantum dari partikel dapat digunakan untuk mewakili data dan struktur data, dan bahwa mekanika kuantum dapat digunakan untuk melakukan operasi dengan data ini. Dalam hal ini untuk mengembangkan komputer dengan sistem kuantum diperlukan suatu logika baru yang sesuai dengan prinsip kuantum.

Ide mengenai komputer kuantum ini berasal dari beberapa fisikawan antara lain 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).

Telah dipercaya dengan sangat luas, bahwa apabila komputer kuantum dalam skala besar dapat dibuat, maka komputer tersebut dapat menyelesaikan sejumlah masalah lebih cepat daripada komputer biasa. Komputer kuantum berbeda dengan komputer DNA dan komputer klasik berbasis transistor, walaupun mungkin komputer jenis tersebut menggunakan prinsip kuantum mekanik. Sejumlah arsitektur komputasi seperti komputer optik walaupun menggunakan superposisi klasik dari gelombang elektromagnetik, namun tanpa sejumlah sumber kuantum mekanik yang spesifik seperti keterkaitan, maka tak dapat berpotensi memiliki kecepatan komputasi sebagaimana yang dimiliki oleh komputer kuantum.

Perkembangan Komputasi Quantum

Science mengalami perkembangan pesat di abad 20, setelah era "pencerahan Eropa" atau biasa disebut aufklarung. Era perkembangan science sangat menarik khususnya setelah Albert Einstein salah satu genius yang hidup di era Newtonian Mekanik yang banyak mengulas benda makro/besar ke era quantum mekanik yang mengulas tentang benda mikro atom, meluncurkan karyanya tentang theory relativitas umum dan relativitas khusus. Perkembangan science, tak pelak diiringi perkembangan implementasinya yaitu teknologi rekayasa. Di era quantum mekanik masih awal untuk di eksplorasi, kita mengenal fisikawan Erwin Schrodinger, yang terkenal dengan formulasi-nya yaitu "Superposition" atau satu benda dalam dua state.

Ide ini tak pelak menarik diimplementasikan di bidang komputer. Saat ini, komputer konvensional meski telah 64-bit, tapi prosessing data binary-nya masih konvensional, atau bergantian. Sedangkan quantum komputasi mampu memproses dua binary yang berlawanan secara bersamaan. Akibat dari pemrosesan dua binary secara bersamaan/superposition ini, kinerja kuantum komputasi mampu 1000x (atau lebih) lebih cepat dalam pemrosesan data.

Perusahaan komputer D-Wave dan Google telah mencoba menciptakan chip-nya. Kuantum komputasi, bukan hanya suatu konsep superposition dimana data binari diproses secara bersamaan oleh prosessor saja, tapi kuantum komputasi juga menyangkut konsep kuantum Internet masa depan. Saat ini dunia internet dotcom boleh dibilang masih generasi satu atau generasi awal, karena perkembangan teknologi di Silicon Valley telah mampu mengembangkan kuantum komputasi dan Virtual Reality. Kelak kita hanya akan menggunakan kacamata saja sebagai device komputasi (Google glass). Dengan menggunakan device kacamata seperti Google Glass, kita mampu browsing, mengakses data, dan keperluan komputasi lainnya. Era komputer memang selalu berubah, dari era mainframe IBM, kemudian personal PC yang di visionary-kan oleh pendiri Microsoft, Bill Gates, dimana setiap meja ada komputernya, berubah menjadi smartphone yang divisionary-kan oleh pendiri Apple Steve Jobs. Kini era smartphone sudah terancam akan tergantikan oleh era komputer kacamata yang bekerja dengan konsep kuantum.

Pengoperasian Data Qubit

Proses komputasi dilakukan pada partikel ukuran nano yang memiliki sifat mekanika quantum, maka satuan unit informasi pada Komputer Quantum disebut quantum bit, atau qubit. Berbeda dengan bit biasa, nilai sebuah qubit bisa 0, 1, atau superposisi dari keduanya. State dimana qubit diukur adalah sebagai vektor atau bilangan kompleks. Sesuai tradisi dengan quantum states lain, digunakan notasi bra-ket untuk merepresentasikannya.

Pure qubit state adalah superposisi liner dari kedua state tersebut. Lebih jelasnya, sebuah pure qubit state dapat direpresentasikan oleh kombinasi linear dari state |0> dan state |1>: Dengan α dan β adalah amplitudo probabilitas yan dapat berupa angka kompleks. State space dari sebuah qubit secara geometri dapat direpresentasikan Bloch sphere

Bloch sphere adalah ruang 2 dimensi yang merupakan geometri untuk permukaan bola. Dibandingkan bit konvensional yang hanya dapat beradai di salah satu kutub, Qubit dapat berada dimana saja dalam permukaan bola. Untuk penerapan fisiknya, semua sistem 2 level, selama ukurannya cukup kecil untuk hukum mekanika quantum berlaku. Berbagai jenis implementasi fisik telah dikemukakan, contohnya antara lain: polarisasi cahaya, spin elektron, muatan listrik, dll.

Superposisi quantum adalah inti perbedaan antara qubit dengan bit biasa. Dalam keadaan superposisi, sebuah qubit akan bernilai |0> dan |1> pada saat bersamaan. Menurut interpretasi Copenhagen, bila dilakukan pengukuran terhadap qubit, maka hanya akan muncul satu state saja. State lainnya “kolaps” dalam arti hancur dan tidak mungkin diambil kembali.

Pemanfaatan sifat superposisi qubit ini adalah Paralellisme Quantum. Paralelisme Quantum muncul dari kemampuan quantum register untuk menyimpan superposisi dari base state. Maka setiap operasi pada register berjalan pada semua kemungkinan dari superposisi secara simultan. Karena jumlah state yang mungkin adalah 2n, dengn n adalah jumlah qubit pada quantum register, kita dapat melakukan pada komputer quantum satu kali operasi yang membutuh kan waktu eksponensial pada komputer konvensional. Kelemahan dari metode ini adalah, semakin besar base state yang bersuperposisi, semakin kecil kemungkinan hasil pengukuran dari nilai hasil pengukuran tersebut benar. Kelemahan ini membuat pararellisme quantum tidak berguna bila operasi dilakukan pada nilai yang spesifik. Namun kelemahan ini tidak begitu berpengaruh pada fungsi yang memperhitungkan nilai dari semua input, bukan hanya satu. Sebagaimana ditunjukkan pada Algoritma Shor.

Quantum Gate

Dalam komputasi kuantum dan khusus kuantum sirkuit model komputasi, gerbang kuantum (atau Gerbang logika kuantum) adalah rangkaian dasar kuantum yang beroperasi di sejumlah kecil qubits. Mereka adalah blok bangunan dari kuantum sirkuit, seperti gerbang logik klasik sirkuit digital konvensional.

Tidak seperti logika klasik pintu gerbang pada umumnya, logika kuantum bersifat reversibel. Namun, komputasi klasik hanya dapat dilakukan dengan menggunakan gerbang reversibel. Sebagai contoh, gerbang Toffoli reversibel dapat melaksanakan semua fungsi Boolean. Gerbang ini memiliki penyetaraan kuantum secara langsung, menampilkan bahwa sirkuit kuantum dapat melakukan semua operasi yang dilakukan oleh sirkuit klasik.

Gerbang logik kuantum yang diwakili oleh kesatuan matriks. Gerbang kuantum yang paling umum beroperasi pada ruang dari satu atau dua qubits, seperti Gerbang logika klasik umum beroperasi pada satu atau dua bit. Ini berarti bahwa sebagai matriks, gerbang kuantum dapat dijelaskan oleh 2 × 2 atau 4 × 4 kesatuan matriks.

Algoritma Shor

Algoritma Shor merupakan sebuah metode yang dikembangkan tahun 1994 oleh ilmuwan AT&T  Peter Shor untuk menggunakan komputer kuantum yang futuristis untuk menemukan faktor-faktor dari sebuah bilangan. Bilangan-bilangan yang diperkalikan satu dengan yang lain untuk  memperoleh  bilangan  asli.  Saat ini, pemfaktoran (factoring) sebuah bilangan besar masih terlalu sulit bagi komputer konvensional meskipun begitu mudah untuk  diverifikasi. Itulah sebabnya pemfaktoran bilangan besar ini banyak digunakan dalam metode kriptografi untuk melindungi data.

Sumber :

http://www.kompasiana.com/baliooo/mengenal-kuantum-komputasi-dan-konsep-quantum-internet-masa-depan_56fa3bc281afbdae071dff91

https://id.wikipedia.org/wiki/Komputer_kuantum

http://chachados.blogspot.co.id/2013/05/komputasi-kuantum.html