Kita pasti pernah mendengar istilah Quantum Computing
dalam dunia teknologi, namun hanya sekedar definisi atau pengertian sekilas
tentangnya. Dalam artikel ini saya mencoba untuk memberikan sekilas informasi
tentang Quantum Computing beserta algoritma yang digunakan dan penerapannya
dalam kehidupan.
Komputer Quantum adalah perangkat komputasi yang
menggunakan langsung fenomena kuantum mekanik , seperti superposisi dan belitan
, untuk melakukan operasi pada data. Quantum komputer berbeda dari komputer
digital berdasarkan transistor . Komputer digital membutuhkan data yang akan
dikodekan menjadi digit biner ( bit ) , yang masing-masing selalu dalam salah
satu dari dua kemungkinan yang pasti ( 0 atau 1 ) , komputasi kuantum
menggunakan qubit ( quantum bit ) , yang terdapat dalam superposisi
kemungkinan. Sebuah model teoritis adalah mesin Turing quantum , juga dikenal
sebagai komputer kuantum universal. Quantum komputer berbagi kesamaan teoritis
dengan komputer non – deterministik dan probabilistik. Bidang komputasi kuantum
pertama kali diperkenalkan oleh Yuri Manin pada tahun 1980 dan Richard Feynman
pada tahun 1982 . Sebuah komputer kuantum dengan perputaran sebagai bit kuantum
juga diformulasikan untuk digunakan sebagai kuantum ruang-waktu pada tahun 1969
.
Belitan adalah istilah yang digunakan dalam teori
kuantum untuk menggambarkan cara bahwa partikel energi / materi dapat menjadi
berkorelasi untuk berinteraksi satu sama lain terlepas dari seberapa jauh
mereka. Beberapa partikel, seperti foton , elektron , atau qubit yang telah
berinteraksi dengan masing-masing lainnya mempertahankan jenis koneksi dan
dapat dijerat dengan saling berpasangan , dalam proses yang dikenal sebagai
korelasi . Dapat mengetahui keadaan spin dari satu partikel terjerat, apakah
arah spin adalah naik atau turun, memungkinkan seseorang untuk mengetahui bahwa
spin pasangannya adalah dalam arah yang berlawanan adalah hal yang dapat
dilakukan. Dalam fenomena superposisi, partikel diukur tidak memiliki arah spin
tunggal sebelum diukur , tetapi secara bersamaan terdapat di kedua spin – up
dan spin -down. Keadaan spin partikel yang diukur diputuskan pada saat
pengukuran dan dikomunikasikan kepada partikel berkorelasi , yang sekaligus
mengasumsikan arah spin yang berlawanan dengan yang ada pada partikel yang
diukur. Belitan kuantum memungkinkan qubit yang dipisahkan oleh jarak yang luar
biasa untuk berinteraksi satu sama lain sesegera mungkin , dalam komunikasi
yang tidak terbatas pada kecepatan cahaya . Tidak peduli seberapa besar jarak
antara partikel berkorelasi , mereka akan tetap terjerat selama mereka
terisolasi.
Dalam komputasi kuantum dan model sirkuit kuantum
perhitungan , gerbang kuantum adalah sirkuit kuantum dasar operasi pada
sejumlah kecil qubit. Mereka adalah blok bangunan sirkuit kuantum , seperti
gerbang logika klasik adalah untuk sirkuit digital konvensional . Tidak seperti
banyak gerbang logika klasik dan logika kuantum gerbang reversibel. Namun,
komputasi klasik dapat dilakukan dengan hanya menggunakan gerbang reversibel .
Sebagai contoh, reversibel gerbang Toffoli dapat melaksanakan semua fungsi
Boolea . Gerbang ini memiliki kuantum langsung, menunjukkan bahwa sirkuit
kuantum dapat melakukan semua operasi yang dilakukan oleh sirkuit klasik .
Quantum gerbang logika diwakili oleh matriks kesatuan. Gerbang kuantum yang
paling umum beroperasi pada ruang-ruang satu atau dua qubit, seperti biasa
gerbang logika klasik beroperasi pada satu atau dua bit . Ini berarti bahwa
sebagai matriks , gerbang kuantum dapat dijelaskan oleh 2 × 2 atau 4 × 4
matriks kesatuan.
Algoritma Shor merupakan algoritma yang digunakan,
dinamai oleh matematikawan Peter Shor.
Adalah sebuah algoritma kuantum ( algoritma yang berjalan pada sebuah komputer
kuantum ) untuk integer faktorisasi yang dirumuskan pada tahun 1994 untuk
memecahkan masalah berikut : Mengingat integer N untuk menemukan faktor-faktor
prima. Pada komputer kuantum menjalankan algoritma utuk mencari faktor integer
N, algoritma Shor berjalan dalam waktu polinomial ( waktu yang dibutuhkan
polinomial dalam log N , yang merupakan ukuran input ). Secara khusus
dibutuhkan waktu O ( ( log N ) 3 ) , menunjukkan bahwa masalah faktorisasi
integer dapat diselesaikan secara efisien pada komputer kuantum dan dengan
demikian dalam BQP kelas kompleksitas. Hal ini lebih cepat dari algoritma
klasik yang paling efisien yang telah kita kenal sebelumnya. Bekerja dalam
waktu sub – eksponensial – tentang O ( E1.9 ( log N ) 1/3 ( log log N ) 2/3 ) .
Efisiensi algoritma Shor adalah efisiensi kuantum Transformasi Fourier dan
modular eksponensial oleh squarings berulang. Jika sebuah komputer kuantum
dengan jumlah yang memadai qubit nya bisa beroperasi tanpa mengalah terhadap
kebisingan dan fenomena decoherence kuantum lainnya , maka algoritma Shor dapat
digunakan untuk memecahkan skema kriptografi kunci publik seperti skema RSA
yang banyak digunakan. RSA didasarkan pada asumsi bahwa jumlah besar komputasi
tidak layak . Sejauh yang diketahui , asumsi ini berlaku untuk klasik ( non –
kuantum ) komputer. Namun, algoritma Shor menunjukkan bahwa terdapat ke-efisienan
pada komputer kuantum yang ideal, sehingga mungkin layak untuk mengalahkan RSA
dengan membangun sebuah komputer kuantum yang besar.
Penerapan Quantum COmputing :
Pada 19 Nov 2013 Lockheed Martin, NASA dan Google
semua memiliki satu misi yang sama yaitu mereka semua membuat komputer kuantum
sendiri. Komputer kuantum ini adalah superkonduktor chip yang dirancang oleh
sistem D – gelombang dan yang dibuat di NASA Jet Propulsion Laboratories. NASA
dan Google berbagi sebuah komputer kuantum untuk digunakan di Quantum
Artificial Intelligence Lab menggunakan 512 qubit D -Wave Two yang akan
digunakan untuk penelitian pembelajaran mesin yang membantu dalam menggunakan
jaringan syaraf tiruan untuk mencari set data astronomi planet ekstrasurya dan
untuk meningkatkan efisiensi searchs internet dengan menggunakan AI
metaheuristik di search engine heuristical. A.I. seperti metaheuristik dapat
menyerupai masalah optimisasi global mirip dengan masalah klasik seperti
pedagang keliling, koloni semut atau optimasi swarm, yang dapat menavigasi
melalui database seperti labirin. Menggunakan partikel terjerat sebagai qubit,
algoritma ini bisa dinavigasi jauh lebih cepat daripada komputer konvensional
dan dengan lebih banyak variabel. Penggunaan metaheuristik canggih pada fungsi
heuristical lebih rendah dapat melihat simulasi komputer yang dapat memilih sub
rutinitas tertentu pada komputer sendiri untuk memecahkan masalah dengan cara
yang benar-benar cerdas . Dengan cara ini mesin akan jauh lebih mudah
beradaptasi terhadap perubahan data indrawi dan akan mampu berfungsi dengan
jauh lebih otomatisasi daripada yang mungkin dengan komputer normal
Lalu pada tahun 2000, IBM sudah membuat quantum
computer dengan 5 qubits dengan atom sebagai prosesornya. dan D-Wave perusahaan
komputer asal Vancouver, Canada merilis kabar bahwa pihaknya telah mampu untuk
beroperasi dengan prinsip quantum yang jauh ebih cepat dari komputer yang ada
saat ini. Komputer yang diberi nama “Orion” ini, menggunakan teknik cetakan
rata yang sistematis, dipadukan dengan sebuah chip niobium superkonduksi dan
suhu ultrarendah, dapat mengerjakan 16 qubit. Chip inti harus dingin hingga
mendekati titik nol absolut (-125.15ºC), agar supaya dalam proses
perhitungannya tetap dalam kondisi kuantum Perusahaan D-Wave menuturkan, bahwa
komputer kuantum ini bisa mengoperasikan 64 ribu hitungan secara bersamaan, dan
prototipe komputer kuantum yang diperlihatkannya pada 13 Februari 2007
merupakan komputer tipe bisnis yang pertama di dunia, di dalamnya ditanami chip
kuantum yang dapat mengoperasikan 16 qubit.
Entanglement adalah efek mekanik kuantum yang mengaburkan jarak antara
partikel individual sehingga sulit menggambarkan partikel tersebut terpisah
meski Anda berusaha memindahkan mereka. Contoh dari quantum entanglement:
kaitan antara penentuan jam sholat dan quantum entanglement. Mohon maaf bagi
yang beragama lain saya hanya bermaksud memberi contoh saja. Mengapa jam sholat
dibuat seragam? Karena dengan demikian secara massal banyak manusia di beberapa
wilayah secara serentak masuk ke zona entanglement bersamaan.
Quantum entanglement adalah bagian dari fenomena quantum
mechanical yang menyatakan bahwa dua atau lebih objek dapat digambarkan
mempunyai hubungan dengan objek lainnya walaupun objek tersebut berdiri sendiri
dan terpisah dengan objek lainnya. Quantum entanglement merupakan salah satu
konsep yang membuat Einstein mengkritisi teori Quantum mechanical. Einstein
menunjukkan kelemahan teori Quantum Mechanical yang menggunakan entanglement
merupakan sesuatu yang “spooky action at a distance” karena Einstein tidak
mempercayai bahwa Quantum particles dapat mempengaruhi partikel lainnya
melebihi kecepatan cahaya. Namun, beberapa tahun kemudian, ilmuwan John Bell
membuktikan bahwa “spooky action at a distance” dapat dibuktikan bahwa
entanglement dapat terjadi pada partikel-partikel yang sangat kecil.
Penggunaan quantum entanglement saat ini diimplementasikan dalam
berbagai bidang salah satunya adalah pengiriman pesan-pesan rahasia yang sulit
untuk di-enkripsi dan pembuatan komputer yang mempunyai performa yang sangat
cepat.
Pada saat ini, model sirkuit komputer adalah abstraksi paling
berguna dari proses komputasi dan secara luas digunakan dalam industri komputer
desain dan konstruksi hardware komputasi praktis. Dalam model sirkuit, ilmuwan
komputer menganggap perhitungan apapun setara dengan aksi dari sirkuit yang
dibangun dari beberapa jenis gerbang logika Boolean bekerja pada beberapa biner
(yaitu, bit string) masukan. Setiap gerbang logika mengubah bit masukan ke
dalam satu atau lebih bit keluaran dalam beberapa mode deterministik menurut
definisi dari gerbang. dengan menyusun gerbang dalam grafik sedemikian rupa
sehingga output dari gerbang awal akan menjadi input gerbang kemudian, ilmuwan
komputer dapat membuktikan bahwa setiap perhitungan layak dapat dilakukan.
Quantum Logic Gates, Prosedur berikut menunjukkan bagaimana cara
untuk membuat sirkuit reversibel yang mensimulasikan dan sirkuit ireversibel
sementara untuk membuat penghematan yang besar dalam jumlah ancillae yang
digunakan.
- Pertama mensimulasikan gerbang di babak pertama tingkat.
- Jauhkan hasil gerbang di tingkat d / 2 secara terpisah.
- Bersihkan bit ancillae.
- Gunakan mereka untuk mensimulasikan gerbang di babak kedua
tingkat.
- Setelah menghitung output, membersihkan bit ancillae.
- Bersihkan hasil tingkat d / 2.
Sekarang kita telah melihat gerbang reversibel ireversibel klasik
dan klasik, memiliki konteks yang lebih baik untuk menghargai fungsi dari
gerbang kuantum. Sama seperti setiap perhitungan klasik dapat dipecah menjadi
urutan klasik gerbang logika yang bertindak hanya pada bit klasik pada satu
waktu, sehingga juga bisa setiap kuantum perhitungan dapat dipecah menjadi
urutan gerbang logika kuantum yang bekerja pada hanya beberapa qubit pada suatu
waktu.
Perbedaan utama adalah bahwa gerbang logika klasik memanipulasi
nilai bit klasik, 0 atau 1, gerbang kuantum dapat sewenang-wenang memanipulasi
nilai kuantum multi-partite termasuk superposisi dari komputasi dasar yang juga
dilibatkan. Jadi gerbang logika kuantum perhitungannya jauh lebih bervariasi
daripada gerbang logika perhitungan klasik.
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. Yang
akan dibahas pada postingan ini yaitu Algoritma Shor :
Algoritma Shor, dinamai matematikawan Peter Shor , adalah
algoritma kuantum yaitu merupakan suatu algoritma yang berjalan pada komputer
kuantum yang berguna untuk faktorisasi bilangan bulat. Algoritma Shor
dirumuskan pada tahun 1994. Inti dari algoritma ini merupakan bagaimana
cara menyelesaikan faktorisasi terhaadap bilanga interger atau bulat yang
besar.
Efisiensi algoritma Shor adalah karena efisiensi kuantum
Transformasi Fourier , dan modular eksponensial. Jika sebuah komputer kuantum
dengan jumlah yang memadai qubit dapat beroperasi tanpa mengalah kebisingan dan
fenomena interferensi kuantum lainnya, algoritma Shor dapat digunakan untuk
memecahkan kriptografi kunci publik skema seperti banyak digunakan skema RSA.
Algoritma Shor terdiri dari dua bagian:
- Penurunan
yang bisa dilakukan pada komputer klasik, dari masalah anjak untuk masalah
ketertiban -temuan.
- Sebuah
algoritma kuantum untuk memecahkan masalah order-temuan.
Hambatan runtime dari algoritma Shor adalah kuantum eksponensial
modular yang jauh lebih lambat dibandingkan dengan kuantum Transformasi Fourier
dan pre-/post-processing klasik. Ada beberapa pendekatan untuk membangun dan
mengoptimalkan sirkuit untuk eksponensial modular.
Yang paling sederhana dan saat ini yaitu pendekatan paling praktis
adalah dengan menggunakan meniru sirkuit aritmatika konvensional dengan gerbang
reversibel , dimulai dengan penambah ripple-carry. Sirkuit Reversible biasanya
menggunakan nilai pada urutan n ^ 3, gerbang untuk n qubit. Teknik alternatif
asimtotik meningkatkan jumlah gerbang dengan menggunakan kuantum transformasi
Fourier , tetapi tidak kompetitif dengan kurang dari 600 qubit karena konstanta
tinggi.
Implementasi Quantum Computing
Pada 19 Nov 2013 Lockheed Martin, NASA dan Google semua memiliki
satu misi yang sama yaitu mereka semua membuat komputer kuantum sendiri.
Komputer kuantum ini adalah superkonduktor chip yang dirancang oleh sistem D –
gelombang dan yang dibuat di NASA Jet Propulsion Laboratories.
NASA dan Google berbagi sebuah komputer kuantum untuk digunakan di
Quantum Artificial Intelligence Lab menggunakan 512 qubit D -Wave Two yang akan
digunakan untuk penelitian pembelajaran mesin yang membantu dalam menggunakan
jaringan syaraf tiruan untuk mencari set data astronomi planet ekstrasurya dan
untuk meningkatkan efisiensi searchs internet dengan menggunakan AI
metaheuristik di search engine heuristical.
A.I. seperti metaheuristik dapat menyerupai masalah optimisasi
global mirip dengan masalah klasik seperti pedagang keliling, koloni semut atau
optimasi swarm, yang dapat menavigasi melalui database seperti labirin.
Menggunakan partikel terjerat sebagai qubit, algoritma ini bisa dinavigasi jauh
lebih cepat daripada komputer konvensional dan dengan lebih banyak
variabel.
Penggunaan metaheuristik canggih pada fungsi heuristical lebih
rendah dapat melihat simulasi komputer yang dapat memilih sub rutinitas
tertentu pada komputer sendiri untuk memecahkan masalah dengan cara yang
benar-benar cerdas . Dengan cara ini mesin akan jauh lebih mudah beradaptasi
terhadap perubahan data indrawi dan akan mampu berfungsi dengan jauh lebih
otomatisasi daripada yang mungkin dengan komputer normal.
Sumber:
