Quantum Computation
Quantum Computation atau komputer kuantum adalah alat hitung yang menggunakan sebuah fenomena mekanika 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 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, Davic Deutsch dari Unversity of Oxford, dan Richard P Feynman dari California Institute of Technology (Caltech).
Pada awalnya Feynman mengemukakan idenya mengenai sistem kuantum yang juga dapat melakukan proses penghitungan. Fenyman juga mengemukakan bahwa sistem ini bisa menjadi simulator bagi percobaan fisika kuantum.
Selanjutnya para ilmuwan mulai melakukan riset mengenai sistem kuantum tersebut, mereka juga berusaha untuk menemukan logika yang sesuai dengan sistem tersebut. Sampai saat ini telah dikemukaan dua algoritme baru yang bisa digunakan dalam sistem kuantum yaitu algoritme shor dan algoritme grover.
Walaupun komputer kuantum masih dalam pengembangan, telah dilakukan eksperimen dimana operasi komputasi kuantum dilakukan atas sejumlah kecil Qubit. Riset baik secara teoretis maupun praktik terus berlanjut dalam laju yang cepat, dan banyak pemerintah nasional dan agensi pendanaan militer mendukung riset komputer kuantum untuk pengembangannya baik untuk keperluan rakyat maupun masalah keamanan nasional seperti kriptoanalisis.
Algoritma pada Quantum Computing
Para ilmuwan mulai melakukan riset mengenai sistem kuantum tersebut, mereka juga berusaha untuk menemukan logika yang sesuai dengan sistem tersebut. Sampai saat ini telah dikemukaan dua algoritma baru yang bisa digunakan dalam sistem kuantum yaitu algoritma shor dan algoritma grover.
- Algoritma Shor
Algoritma yang ditemukan oleh Peter Shor pada tahun 1995. Dengan menggunakan algoritma ini, sebuah komputer kuantum dapat memecahkan sebuah kode rahasia yang saat ini secara umum digunakan untuk mengamankan pengiriman data. Kode yang disebut kode RSA ini, jika disandikan melalui kode RSA, data yang dikirimkan akan aman karena kode RSA tidak dapat dipecahkan dalam waktu yang singkat. Selain itu, pemecahan kode RSA membutuhkan kerja ribuan komputer secara paralel sehingga kerja pemecahan ini tidaklah efektif.
- Algoritma Grover
Algoritma Grover adalah sebuah algoritma kuantum yang menawarkan percepatan kuadrat dibandingkan pencarian linear klasik untuk list tak terurut. Algoritma Grover menggambarkan bahwa dengan menggunakan pencarian model kuantum, pencarian dapat dilakukan lebih cepat dari model komputasi klasik. Dari banyaknya algoritma kuantum, algoritma grover akan memberikan jawaban yang benar dengan probabilitas yang tinggi. Kemungkinan kegagalan dapat dikurangi dengan mengulangi algoritma. Algoritma Grover juga dapat digunakan untuk memperkirakan rata-rata dan mencari median dari serangkaian angka, dan untuk memecahkan masalah Collision.
Perbandingan Komputasi Klasik dan Quantum
Komputasi klasik bergantung, pada tingkat tertinggi, pada prinsip-prinsip yang diungkapkan oleh aljabar Boolean, beroperasi dengan prinsip gerbang logika 7-mode (biasanya), meskipun mungkin ada hanya dengan tiga mode (yang AND, NOT, dan COPY). Data harus diproses dalam keadaan biner eksklusif pada setiap titik waktu - yaitu, baik 0 (tidak aktif / salah) atau 1 (pada / benar). Nilai-nilai ini adalah digit biner, atau bit. Jutaan transistor dan kapasitor di jantung komputer hanya dapat berada di satu negara pada titik mana pun. Sementara waktu yang diperlukan setiap transistor atau kapasitor baik dalam 0 atau 1 sebelum negara beralih sekarang dapat diukur dalam seperseribu detik, masih ada batas mengenai seberapa cepat perangkat ini dapat dibuat untuk beralih negara. Ketika kita maju ke sirkuit yang lebih kecil dan lebih cepat, kita mulai mencapai batas fisik material dan ambang hukum fisika klasik untuk diterapkan. Di luar ini, dunia kuantum mengambil alih, yang membuka potensi sebesar tantangan yang disajikan.
Komputer Quantum, sebaliknya, dapat bekerja dengan gerbang logika dua mode: XOR dan mode yang akan kita sebut QO1 (kemampuan untuk mengubah 0 menjadi superposisi 0 dan 1, gerbang logika yang tidak bisa ada dalam komputasi klasik) . Dalam komputer kuantum, sejumlah partikel unsur seperti elektron atau foton dapat digunakan (dalam praktiknya, keberhasilan juga telah dicapai dengan ion), dengan muatan atau polarisasi keduanya bertindak sebagai representasi 0 dan / atau 1. Setiap partikel-partikel ini dikenal sebagai bit kuantum, atau qubit, sifat dan perilaku partikel-partikel ini membentuk dasar komputasi kuantum. Dua aspek yang paling relevan dari fisika kuantum adalah prinsip-prinsip superposisi dan belitan.
Superposisi
Pikirkan qubit sebagai elektron dalam medan magnet. Spin elektron mungkin baik sejajar dengan bidang, yang dikenal sebagai keadaan spin-up, atau berlawanan dengan lapangan, yang dikenal sebagai keadaan spin-down. Mengubah spin elektron dari satu keadaan ke keadaan lainnya dicapai dengan menggunakan pulsa energi, seperti dari laser - katakanlah kita menggunakan 1 unit energi laser. Tetapi bagaimana jika kita hanya menggunakan setengah unit energi laser dan benar-benar mengisolasi partikel dari semua pengaruh eksternal? Menurut hukum kuantum, partikel kemudian memasuki superposisi keadaan, di mana ia berperilaku seolah-olah berada di kedua negara secara bersamaan. Setiap qubit yang digunakan dapat mengambil superposisi dari 0 dan 1. Dengan demikian, jumlah perhitungan yang dapat dilakukan oleh komputer kuantum adalah 2 ^ n, di mana n adalah jumlah qubit yang digunakan. Sebuah komputer kuantum yang terdiri dari 500 qubit akan memiliki potensi untuk melakukan 2 ^ 500 perhitungan dalam satu langkah. Ini adalah angka yang luar biasa - 2 ^ 500 adalah atom yang jauh lebih banyak daripada yang ada di alam semesta yang dikenal (ini adalah pemrosesan paralel yang benar - komputer klasik saat ini, bahkan yang disebut prosesor paralel, masih hanya benar-benar melakukan satu hal pada satu waktu: hanya ada dua atau lebih dari mereka melakukannya). Tetapi bagaimana partikel-partikel ini berinteraksi satu sama lain? Mereka akan melakukannya melalui belitan kuantum.
Entanglement
Entanglement Partikel (seperti foton, elektron, atau qubit) yang berinteraksi di beberapa titik mempertahankan jenis koneksi dan dapat terjerat satu sama lain secara berpasangan, dalam proses yang dikenal sebagai korelasi. Mengetahui keadaan spin dari satu partikel yang terjerat - naik atau turun - memungkinkan seseorang untuk mengetahui bahwa spin dari pasangannya berada dalam arah yang berlawanan. Yang lebih menakjubkan adalah pengetahuan yang, karena fenomena superpostisi, partikel yang diukur tidak memiliki arah putaran tunggal sebelum diukur, tetapi secara simultan dalam keadaan spin-up dan spin-down. Keadaan spin dari partikel yang diukur diputuskan pada saat pengukuran dan dikomunikasikan ke partikel yang berkorelasi, yang secara bersamaan mengasumsikan arah putaran berlawanan dengan yang diukur partikel. Ini adalah fenomena nyata (Einstein menyebutnya "tindakan seram di kejauhan"), mekanisme yang tidak bisa, seperti yang dijelaskan oleh teori apa pun - itu harus diambil sebagai diberikan. Belitan kuantum memungkinkan qubit yang dipisahkan oleh jarak yang luar biasa untuk berinteraksi satu sama lain secara instan (tidak terbatas pada kecepatan cahaya). Tidak peduli seberapa besar jarak antara partikel-partikel yang berkorelasi, mereka akan tetap terjerat selama mereka diisolasi.
Secara bersama-sama, superposisi kuantum dan belitan menciptakan kekuatan komputasi yang sangat ditingkatkan. Di mana register 2-bit di komputer biasa dapat menyimpan hanya satu dari empat konfigurasi biner (00, 01, 10, atau 11) pada waktu tertentu, register 2-qubit di komputer kuantum dapat menyimpan keempat angka secara bersamaan, karena setiap qubit mewakili dua nilai. Jika lebih banyak qubit ditambahkan, peningkatan kapasitas diperluas secara eksponensial.
Pemrograman Quantum
Mungkin yang lebih menarik daripada kekuatan komputasi kuantum adalah kemampuan yang ditawarkan untuk menulis program dengan cara yang benar-benar baru. Sebagai contoh, komputer kuantum dapat menggabungkan urutan pemrograman yang akan berada di sepanjang garis "mengambil semua superposisi dari semua perhitungan sebelumnya" - sesuatu yang tidak berarti dengan komputer klasik - yang akan memungkinkan cara yang sangat cepat untuk memecahkan masalah matematika tertentu. , seperti faktorisasi dalam jumlah besar, salah satu contoh yang kita diskusikan di bawah ini.
Ada dua keberhasilan penting sejauh ini dengan pemrograman kuantum. Yang pertama terjadi pada tahun 1994 oleh Peter Shor, (sekarang di AT & T Labs) yang mengembangkan algoritma kuantum yang dapat secara efisien menghitung jumlah besar. Ini berpusat pada sistem yang menggunakan teori angka untuk memperkirakan periodisitas sejumlah besar urutan. Terobosan besar lainnya terjadi dengan Lov Grover of Bell Labs pada tahun 1996, dengan algoritma yang sangat cepat yang terbukti paling cepat untuk mencari melalui basis data yang tidak terstruktur. Algoritma ini sangat efisien sehingga hanya membutuhkan, rata-rata, sekitar akar N kuadrat (di mana N adalah jumlah total elemen) pencarian untuk menemukan hasil yang diinginkan, dibandingkan dengan pencarian dalam komputasi klasik, yang rata-rata membutuhkan N / 2 pencarian.
Permasalahan - Dan Beberapa Solusi
Hal di atas terdengar menjanjikan, tetapi ada rintangan luar biasa yang masih harus diatasi. Beberapa masalah dengan komputasi kuantum adalah sebagai berikut:
- Interferensi - Selama fase perhitungan perhitungan kuantum, gangguan sekecil apa pun dalam sistem kuantum (misalkan foton nyasar atau gelombang radiasi EM) menyebabkan komputasi kuantum runtuh, sebuah proses yang dikenal sebagai de-koherensi. Komputer kuantum harus benar-benar terisolasi dari semua gangguan eksternal selama fase perhitungan. Beberapa keberhasilan telah dicapai dengan penggunaan qubit di medan magnet yang intens, dengan penggunaan ion.
- Koreksi kesalahan - Karena benar-benar mengisolasi sistem kuantum telah terbukti sangat sulit, sistem koreksi kesalahan untuk perhitungan kuantum telah dikembangkan. Qubit bukanlah bit data digital, sehingga mereka tidak dapat menggunakan koreksi kesalahan konvensional (dan sangat efektif), seperti metode triple redundant. Mengingat sifat komputasi kuantum, koreksi kesalahan sangat penting - bahkan kesalahan tunggal dalam perhitungan dapat menyebabkan validitas seluruh komputasi runtuh. Ada banyak kemajuan di bidang ini, dengan algoritma koreksi kesalahan dikembangkan yang menggunakan 9 qubit (1 komputasi dan 8 pemasyarakatan). Baru-baru ini, ada terobosan oleh IBM yang membuat dengan total 5 qubit (1 komputasi dan 4 pemasyarakatan).
- Ketaatan Output - Terkait erat dengan dua di atas, mengambil data output setelah perhitungan kuantum adalah risiko lengkap merusak data. Dalam contoh komputer kuantum dengan 500 qubit, kita memiliki peluang 1 dalam 2 ^ 500 untuk mengamati output yang tepat jika kita mengukur output. Jadi, yang diperlukan adalah metode untuk memastikan bahwa, segera setelah semua perhitungan dibuat dan tindakan pengamatan berlangsung, nilai yang diamati akan sesuai dengan jawaban yang benar. Bagaimana ini bisa dilakukan? Ini telah dicapai oleh Grover dengan algoritma pencarian databasenya, yang bergantung pada bentuk "gelombang" khusus dari kurva probabilitas yang melekat pada komputer kuantum, yang memastikan, setelah semua perhitungan selesai, tindakan pengukuran akan melihat status kuantum mengurai jawaban yang benar.
Meskipun ada banyak masalah yang harus diatasi, terobosan dalam 15 tahun terakhir, dan terutama di 3 terakhir, telah membuat beberapa bentuk komputasi kuantum praktis tidak tidak layak, tetapi ada banyak perdebatan mengenai apakah ini kurang dari satu dekade lagi atau seratus tahun ke depan. Namun, potensi yang ditawarkan teknologi ini menarik minat yang luar biasa baik dari pemerintah maupun sektor swasta. Aplikasi militer termasuk kemampuan untuk memecahkan kunci enkripsi melalui pencarian kekerasan, sementara aplikasi sipil berkisar dari pemodelan DNA ke analisis ilmu material kompleks. Potensi inilah yang dengan cepat meruntuhkan penghalang pada teknologi ini, tetapi apakah semua hambatan dapat dipatahkan, dan kapan, adalah pertanyaan terbuka.
Sumber :
- https://id.wikipedia.org/wiki/Komputer_kuantum
- http://bingbengbeng.blogspot.co.id/2018/05/quantum-computation.html
Tidak ada komentar:
Posting Komentar