Quantum Computation atau Komputer Kuantum
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 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). 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 algoritma baru yang bisa digunakan dalam sistem
kuantum yaitu algoritma shor dan algoritma glover. 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. 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.
Selain
itu komputasi kuantum adalah bidang studi yang berfokus pada pengembangan
teknologi komputer berdasarkan prinsip-prinsip teori kuantum, yang menjelaskan
sifat dan perilaku energi dan materi pada kuantum (atom dan subatom) tingkat. Pengembangan
komputer kuantum, jika praktis, akan menandai lompatan maju dalam kemampuan
komputasi yang jauh lebih besar daripada yang dari sempoa untuk superkomputer
modern, dengan keuntungan kinerja di bidang miliar kali lipat dan seterusnya. Komputer
kuantum, mengikuti hukum fisika kuantum, akan mendapatkan kekuatan pemrosesan
yang sangat besar melalui kemampuan untuk berada di beberapa negara, dan untuk
melakukan tugas-tugas menggunakan semua permutasi yang mungkin secara
bersamaan. Pusat saat ini penelitian di komputasi kuantum termasuk MIT, IBM,
Oxford University, dan Los Alamos National Laboratory. Unsur-unsur penting dari
komputasi kuantum berasal Paul Benioff, bekerja di Argonne National Labs, pada
tahun 1981. Dia berteori komputer klasik beroperasi dengan beberapa prinsip
mekanika kuantum.
Tapi
secara umum diterima bahwa David Deutsch dari Universitas Oxford memberikan
dorongan penting untuk penelitian komputasi kuantum. Pada
tahun 1984, ia berada di sebuah konferensi teori komputasi dan mulai
bertanya-tanya tentang kemungkinan merancang sebuah komputer yang didasarkan
secara eksklusif pada aturan kuantum, kemudian menerbitkan makalah terobosan
beberapa bulan kemudian. Dengan ini, lomba mulai mengeksploitasi ide-idenya. Namun,
sebelum kita menggali ke dalam apa yang dia mulai, itu bermanfaat untuk melihat
pada latar belakang dunia kuantum.
Entanglement
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.
Pengoperasian Data Qubit
Qubit
merupakan kuantum bit , mitra dalam komputasi kuantum dengan digit biner atau
bit dari komputasi klasik. Sama seperti sedikit adalah unit dasar informasi
dalam komputer klasik, qubit adalah unit dasar informasi dalam komputer kuantum
. Dalam komputer kuantum, sejumlah partikel elemental seperti elektron atau
foton dapat digunakan (dalam praktek, keberhasilan juga telah dicapai dengan
ion), baik dengan biaya mereka atau polarisasi bertindak sebagai representasi
dari 0 dan / atau 1. Setiap partikel-partikel ini dikenal sebagai qubit, sifat
dan perilaku partikel-partikel ini (seperti yang diungkapkan dalam teori
kuantum ) membentuk dasar dari komputasi kuantum. Dua aspek yang paling relevan
fisika kuantum adalah prinsip superposisi dan Entanglement
Superposisi,
pikirkan qubit sebagai elektron dalam medan magnet. Spin elektron mungkin baik
sejalan dengan bidang, yang dikenal sebagai spin-up, atau sebaliknya ke
lapangan, yang dikenal sebagai keadaan spin-down. Mengubah spin elektron dari
satu keadaan ke keadaan lain dicapai dengan menggunakan pulsa energi, seperti
dari Laser - katakanlah kita menggunakan 1 unit energi laser. Tapi bagaimana
kalau kita hanya menggunakan setengah unit energi laser dan benar-benar
mengisolasi partikel dari segala pengaruh eksternal? Menurut hukum kuantum,
partikel kemudian memasuki superposisi negara, di mana ia berperilaku
seolah-olah itu di kedua negara secara bersamaan. Setiap qubit dimanfaatkan
bisa mengambil superposisi dari kedua 0 dan 1. Dengan demikian, jumlah
perhitungan bahwa komputer kuantum dapat melakukan adalah 2 ^ n, dimana n
adalah jumlah qubit yang digunakan. Sebuah komputer kuantum terdiri dari 500
qubit akan memiliki potensi untuk melakukan 2 ^ 500 perhitungan dalam satu
langkah. Ini adalah jumlah yang mengagumkan - 2 ^ 500 adalah atom jauh lebih
dari yang ada di alam semesta (ini pemrosesan paralel benar - komputer klasik
saat ini, bahkan disebut prosesor paralel, masih hanya benar-benar melakukan
satu hal pada suatu waktu: hanya ada dua atau lebih dari mereka melakukannya).
Tapi bagaimana partikel-partikel ini akan berinteraksi satu sama lain? Mereka
akan melakukannya melalui belitan kuantum.
Selain
itu Komputer kuantum memelihara urutan qubit. Sebuah qubit tunggal dapat
mewakili satu, nol, atau, penting, setiap superposisi quantum ini, apalagi
sepasang qubit dapat dalam superposisi kuantum dari 4 negara, dan tiga qubit
dalam superposisi dari 8. Secara umum komputer kuantum dengan qubit n bisa
dalam superposisi sewenang-wenang hingga 2 n negara bagian yang berbeda secara
bersamaan (ini dibandingkan dengan komputer normal yang hanya dapat di salah
satu negara n 2 pada satu waktu). Komputer kuantum yang beroperasi dengan
memanipulasi qubit dengan urutan tetap gerbang logika quantum. Urutan gerbang
untuk diterapkan disebut algoritma quantum. Sebuah contoh dari implementasi
qubit untuk komputer kuantum bisa mulai dengan menggunakan partikel dengan dua
putaran menyatakan: “down” dan “up”. Namun pada kenyataannya sistem yang
memiliki suatu diamati dalam jumlah yang akan kekal dalam waktu evolusi dan
seperti bahwa A memiliki setidaknya dua diskrit dan cukup spasi berturut-turut
eigen nilai , adalah kandidat yang cocok untuk menerapkan sebuah qubit. Hal ini
benar karena setiap sistem tersebut dapat dipetakan ke yang efektif spin -1/2
sistem.
Quantum Gates
Quantum
gates dalam komputasi kuantum dan khusus model
sirkuit kuantum perhitungan
disebut gerbang kuantum (quantum atau gerbang
logika) 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, logika kuantum
gerbang reversibel. Namun, adalah mungkin untuk
melakukan komputasi klasik menggunakan
gerbang hanya reversibel. Sebagai contoh, reversibel gerbang Toffoli dapat
melaksanakan semua fungsi Boolean.
Gerbang ini memiliki setara kuantum langsung, menunjukkan
bahwa sirkuit kuantum dapat melakukan semua operasi yang dilakukan
oleh sirkuit klasik.
Quantum gerbang logika yang diwakili oleh matriks kesatuan. Gerbang kuantum
yang paling umum beroperasi pada ruang satu atau dua
qubit, seperti biasa
klasik gerbang logika beroperasi pada satu atau dua bit. Ini berarti bahwa sebagai matriks, gerbang kuantum
dapat dijelaskan oleh 2 × 2 atau 4 × 4 matriks kesatuan.
Selain itu 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.
- 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.
- 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.