Apa itu komputasi Kuantum?
Komputasi kuantum adalah bidang multidisiplin yang terdiri dari aspek ilmu komputer, fisika, dan matematika yang memanfaatkan mekanika kuantum untuk memecahkan masalah kompleks lebih cepat daripada komputer klasik. Bidang komputasi kuantum mencakup penelitian perangkat keras dan pengembangan aplikasi. Komputer kuantum mampu memecahkan tipe masalah tertentu lebih cepat daripada komputer klasik, dengan memanfaatkan efek mekanika kuantum, seperti superposisi dan interferensi kuantum. Beberapa aplikasi di mana komputer kuantum dapat memberikan peningkatan kecepatan semacam itu meliputi machine learning (ML), optimisasi, dan simulasi sistem fisik. Kasus penggunaan pada akhirnya dapat berupa optimasi portofolio di bidang keuangan atau simulasi sistem kimia, memecahkan masalah yang saat ini mustahil dilakukan bahkan oleh superkomputer paling kuat di pasar.
Apa itu keunggulan komputasi kuantum?
Saat ini, tidak ada komputer kuantum yang dapat melakukan tugas yang bermanfaat lebih cepat, lebih murah, atau lebih efisien daripada komputer klasik. Keunggulan kuantum adalah ambang batas di mana kami telah membangun sistem kuantum yang dapat melakukan operasi yang tidak dapat disimulasikan oleh komputer klasik terbaik dalam waktu yang wajar.
Apa itu mekanik kuantum?
Mekanika kuantum adalah bidang fisika yang mempelajari perilaku partikel pada tingkat mikroskopis. Pada tingkat subatomik, persamaan yang menggambarkan cara partikel berperilaku berbeda dari persamaan yang menggambarkan dunia makroskopik di sekitar kita. Komputer kuantum memanfaatkan perilaku ini untuk melakukan komputasi dengan cara yang benar-benar baru.
Apa itu qubit?
Bit kuantum, atau qubit, diwakili oleh partikel kuantum. Manipulasi qubit oleh perangkat kontrol adalah inti dari kekuatan pemrosesan komputer kuantum. Qubit di komputer kuantum bersifat analog dengan bit di komputer klasik. Prosesor mesin klasik melakukan semua pekerjaannya dengan memanipulasi bit pada intinya. Demikian pula, prosesor kuantum melakukan semua pekerjaannya dengan memproses qubit.
Bagaimana cara membedakan qubit dengan bit klasik?
Dalam komputasi klasik, bit adalah sinyal elektronik yang aktif atau tidak aktif. Dengan demikian, nilai bit klasik dapat menjadi satu (on) atau nol (off). Namun, karena didasarkan pada hukum mekanika kuantum, qubit dapat ditempatkan dalam keadaan superposisi.
Apa saja prinsip komputasi kuantum?
Komputer kuantum bekerja menggunakan prinsip kuantum. Prinsip kuantum memerlukan kamus istilah baru untuk dipahami sepenuhnya, istilah yang mencakup superposisi, keterikatan, dan dekoherensi. Mari kita pahami prinsip-prinsip di bawah ini.
Superposisi
Superposisi menyatakan bahwa, seperti gelombang dalam fisika klasik, Anda dapat menambahkan dua atau beberapa keadaan kuantum dan hasilnya akan menjadi keadaan kuantum lain yang valid. Sebaliknya, Anda juga dapat merepresentasikan setiap keadaan kuantum sebagai jumlah dari dua atau beberapa keadaan berbeda lainnya. Superposisi qubit ini memberikan paralelisme yang melekat pada komputer kuantum, yang memungkinkannya untuk memproses jutaan operasi secara bersamaan.
Keterikatan
Keterikatan kuantum terjadi saat dua sistem terhubung begitu erat sehingga pengetahuan mengenai satu sistem memberi Anda pengetahuan langsung mengenai sistem yang lain, tidak peduli seberapa jauh jaraknya. Prosesor kuantum dapat menarik kesimpulan mengenai satu partikel dengan cara mengukur partikel yang lain. Misalnya, prosesor kuantum dapat menentukan bahwa jika satu qubit berputar ke atas, yang lain akan selalu berputar ke bawah, dan sebaliknya. Keterikatan kuantum memungkinkan komputer kuantum untuk memecahkan masalah kompleks lebih cepat.
Saat keadaan kuantum diukur, fungsi gelombang runtuh dan Anda mengukur keadaan sebagai nol atau satu. Dalam keadaan yang diketahui atau deterministik ini, qubit bertindak sebagai bit klasik. Keterikatan adalah kemampuan qubit untuk mengorelasikan keadaannya dengan qubit lainnya.
Dekoherensi
Dekoherensi adalah hilangnya keadaan kuantum dalam qubit. Faktor lingkungan, seperti radiasi, dapat menyebabkan keadaan kuantum qubit runtuh. Tantangan teknik yang besar dalam membangun komputer kuantum adalah mendesain berbagai fitur yang mencoba untuk menunda dekoherensi keadaan, seperti membangun struktur khusus yang melindungi qubit dari medan eksternal.
Apa saja komponen dari komputer kuantum?
Komputer kuantum memiliki perangkat keras dan perangkat lunak, mirip dengan komputer klasik.
Perangkat keras kuantum
Perangkat keras kuantum memiliki tiga komponen utama.
Bidang data kuantum
Bidang data kuantum adalah inti dari komputer kuantum dan mencakup qubit fisik, serta struktur yang diperlukan untuk menahannya di tempat.
Bidang kontrol dan pengukuran
Bidang kontrol dan pengukuran mengubah sinyal digital menjadi sinyal kontrol analog atau gelombang. Sinyal analog ini melakukan operasi pada qubit di bidang data kuantum.
Bidang prosesor kontrol dan prosesor host
Bidang prosesor kontrol mengimplementasikan algoritme kuantum atau urutan operasi. Prosesor host berinteraksi dengan perangkat lunak kuantum dan menyediakan sinyal digital atau urutan bit klasik ke bidang kontrol dan pengukuran.
Perangkat lunak kuantum
Perangkat lunak kuantum mengimplementasikan algoritme kuantum unik menggunakan sirkuit kuantum. Sirkuit kuantum adalah rutinitas komputasi yang menentukan serangkaian operasi kuantum logis pada qubit yang mendasarinya. Developer dapat menggunakan berbagai alat pengembangan perangkat lunak dan pustaka untuk mengodekan algoritme kuantum.
Apa saja tipe teknologi kuantum?
Tidak ada yang menunjukkan cara terbaik untuk membangun komputer kuantum yang toleran terhadap kesalahan, dan banyak perusahaan serta grup penelitian sedang menyelidiki berbagai tipe qubit. Kami memberikan contoh singkat dari beberapa teknologi qubit di bawah ini.
Prosesor perangkap ion berbasis gerbang
Komputer kuantum berbasis gerbang adalah perangkat yang mengambil data input dan mengubahnya sesuai dengan operasi kesatuan yang telah ditentukan sebelumnya. Operasi tersebut biasanya diwakili oleh sirkuit kuantum, dan analog dengan operasi gerbang dalam elektronik tradisional. Namun, gerbang kuantum sama sekali berbeda dari gerbang elektronik.
Komputer kuantum ion yang terperangkap mengimplementasikan qubit dengan menggunakan keadaan elektronik dari atom-atom bermuatan yang disebut Ion. Ion dibatasi dan ditangguhkan di atas perangkap mikrofabrikasi menggunakan medan elektromagnetik. Sistem berbasis ion terperangkap menerapkan gerbang kuantum menggunakan laser untuk memanipulasi keadaan elektronik ion. Qubit ion yang terperangkap menggunakan atom yang berasal dari alam, alih-alih membuat qubit secara sintetis.
Prosesor superkonduktor berbasis gerbang
Superkonduktivitas adalah seperangkat sifat fisik yang dapat Anda amati pada bahan tertentu seperti merkuri dan helium pada suhu yang sangat rendah. Dalam bahan-bahan ini, Anda dapat mengamati suhu kritis karakteristik di bawah, yang mana hambatan listriknya adalah nol dan medan fluks magnet dikeluarkan. Arus listrik melalui loop kawat superkonduktor dapat bertahan tanpa batas waktu dan tanpa sumber daya.
Komputasi kuantum superkonduktor adalah implementasi dari komputer kuantum dalam sirkuit elektronik superkonduktor. Qubit superkonduktor dibangun dengan sirkuit listrik superkonduktor yang mampu bekerja pada suhu kriogenik.
Prosesor fotonik
Prosesor fotonik kuantum adalah perangkat yang memanipulasi cahaya untuk perhitungan. Komputer kuantum fotonik menggunakan sumber cahaya kuantum yang memancarkan squeezed-light pulses, dengan ekuivalen qubit yang sesuai dengan mode operator berkelanjutan, seperti posisi atau momentum.
Prosesor atom netral
Teknologi qubit atom netral mirip dengan teknologi ion terperangkap. Namun, teknologi ini menggunakan cahaya alih-alih gaya elektromagnetik untuk menjebak qubit dan menahannya di posisi. Atom tidak bermuatan dan sirkuit dapat beroperasi pada suhu kamar
Prosesor atom Rydberg
Atom Rydberg adalah atom tereksitasi dengan satu atau beberapa elektron yang rata-rata lebih jauh dari nukleus. Atom Rydberg memiliki sejumlah sifat aneh termasuk respons berlebihan terhadap medan listrik dan magnet, serta berumur panjang. Saat digunakan, qubit menawarkan interaksi atom yang kuat dan dapat dikontrol yang dapat Anda sesuaikan dengan memilih keadaan yang berbeda.
Annealer kuantum
Anil kuantum menggunakan proses fisik untuk menempatkan qubit sistem kuantum dalam energi absolut minimum. Dari sana, perangkat keras secara perlahan mengubah konfigurasi sistem sehingga lanskap energinya mencerminkan masalah yang perlu dipecahkan. Keuntungan dari annealer kuantum adalah jumlah qubit dapat jauh lebih besar daripada yang tersedia dalam sistem berbasis gerbang. Namun, penggunaannya terbatas pada kasus-kasus tertentu saja.
Bagaimana cara perusahaan menggunakan komputasi kuantum?
Komputasi kuantum dapat merevolusi industri. Kami memberikan beberapa contoh kasus penggunaan di bawah ini:
ML
Machine learning (ML) adalah proses menganalisis sejumlah besar data untuk membantu komputer membuat prediksi dan keputusan yang lebih baik. Penelitian dalam komputasi kuantum mempelajari batas fisik dari pemrosesan informasi dan membuka jalan baru dalam fisika fundamental. Penelitian ini mengarah pada kemajuan di berbagai bidang ilmu pengetahuan dan industri, seperti kimia, optimasi, dan simulasi molekuler. Penelitian ini juga merupakan area minat yang berkembang untuk layanan keuangan untuk memprediksi pergerakan pasar dan meningkatkan operasi bagi manufaktur.
Optimasi
Komputasi kuantum dapat meningkatkan penelitian dan pengembangan, optimasi rantai pasokan, dan produksi. Misalnya, Anda dapat menerapkan komputasi kuantum untuk mengurangi biaya terkait proses manufaktur dan mempersingkat waktu siklus dengan mengoptimalkan elemen seperti perencanaan jalur dalam proses yang kompleks. Aplikasi lainnya adalah optimalisasi kuantum portofolio pinjaman sehingga pemberi pinjaman dapat membebaskan modal, menurunkan suku bunga, dan meningkatkan penawaran mereka.
Simulasi
Upaya komputasi yang diperlukan untuk menyimulasikan sistem secara akurat berskala eksponensial dengan kompleksitas molekul dan bahan obat. Meskipun menggunakan metode aproksimasi, superkomputer saat ini tidak dapat mencapai tingkat akurasi yang diinginkan oleh simulasi ini. Komputasi kuantum memiliki potensi untuk memecahkan beberapa masalah komputasi paling menantang yang dihadapi dalam kimia, yang memungkinkan komunitas ilmiah untuk melakukan simulasi kimia yang sulit dilakukan saat ini. Misalnya, Pasqalmembangun perangkat lunak komputasional QUBEC mereka untuk menjalankan simulasi kimia. QUBEC mengotomatiskan pengangkatan beban berat yang diperlukan untuk menjalankan tugas komputasi kuantum mulai dari penyediaan otomatis infrastruktur komputasi hingga menjalankan perhitungan klasik sebelum dan sesudah pemrosesan, serta melakukan tugas mitigasi kesalahan.
Bagaimana Anda dapat memulai komputasi kuantum?
Jika Anda ingin mencoba komputasi kuantum, Anda dapat memulai dengan emulator perangkat keras kuantum di mesin lokal Anda. Emulator adalah perangkat lunak biasa yang meniru perilaku kuantum pada komputer klasik. Emulator dapat diprediksi dan memungkinkan Anda untuk melihat keadaan kuantum. Emulator berguna jika Anda ingin menguji algoritme sebelum berinvestasi dalam waktu perangkat keras kuantum. Namun, emulator tidak dapat menciptakan kembali perilaku kuantum nyata.
Anda juga dapat menggunakan layanan komputasi kuantum cloud untuk membuat kode pada komputer kuantum sejati tanpa berinvestasi dalam perangkat keras yang mahal.
Bagaimana cara AWS membantu komputasi kuantum?
Amazon Braket adalah layanan komputasi kuantum yang terkelola penuh. Amazon Braket didesain untuk membantu mempercepat penelitian ilmiah dan pengembangan perangkat lunak untuk komputasi kuantum. Anda dapat menggunakan Amazon Braket untuk melakukan tugas-tugas ini:
- Bekerja dengan tipe komputer kuantum dan simulator sirkuit yang berbeda menggunakan seperangkat alat pengembangan yang konsisten.
- Membangun proyek kuantum pada cloud yang tepercaya dengan kontrol harga dan manajemen langsung, baik untuk teknologi kuantum maupun klasik.
- Melakukan inovasi secara cepat dengan panduan ahli dan dukungan teknologi, atau berkolaborasi dengan konsultan di Amazon Quantum Solutions Lab.
- Memaksimalkan penelitian perangkat keras kuantum dengan akses ke perangkat ion yang terperangkap, superkonduktor, fotonik, dan anil.
Mulai komputasi kuantum dengan membuat akun AWS sekarang juga.
