Seputar Komputasi Kuantum

Apa itu komputer kuantum


Komputer kuantum adalah alat hitung yang menggunakan sebuah fenomena mekanika kuantum, misalnya superposisi dan keterkaitan, untuk melakukan operasi data. Menurut Prof. Freddy Permana Zen, M.Sc, D.Sc , komputasi kuantum adalah teori komputasi yang dibangun berdasarkan prinsip-prinsip mekanika kuantum. Algoritma kuantum memiliki efisiensi yang jauh lebih baik dibanding algoritma klasik yang dipakai pada komputer saat ini. Sebuah komputer kuantum juga diyakini memiliki kemampuan proses yang jauh lebih baik dibanding komputer klasik. Riset bidang komputasi kuantum masih terus berkembang. 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.


Sesuatu yang sebenarnya masih R & D (riset dan pengembangan). Belum merupakan sebuah perangkat yang bisa digunakan, namun untuk komputasi kuantum (sebuah sistem perangkat keras dan lunak yang akan membuat perangkat komputer kuantum) sudah ada perusahaan yang telah didirikan termasuk D-wave System.

Entanglement

Entanglement adalah esensi komputasi kuantum karena ini adalah jalinan kualitas yang berhubungan dengan lebih banyak informasi dalam bit kuantum dibanding dengan bit komputing klasik,” demikian Andrew Berkley, salah satu peneliti. Temuan terbaru ini mendekatkan jalan menuju komputer kuantum dan mengindikasikan bahwa persimpangan Josephson pada akhirnya dapat digunakan untuk membangun komputer supercanggih.



Pengoperasian  Data Qubit

Apa yang membedakan komputer kuantum dari komputer konvensional (digital)? Kita dapat mulai dengan mengamati secuil satuan informasi yang disebut satu bit, yaitu satu sistem fisis yang dapat dinyatakan dalam satu di antara dua keadaan (dua nilai logik) yang berbeda: ya atau tidak, benar atau salah, 0 atau 1. Satu bit informasi dapat diberikan oleh dua keadaan polarisasi cahaya atau dua keadaan elektronik suatu atom. Namun, jika satu atom dipilih untuk merepresentasikan satu bit informasi maka menurut mekanika kuantum di samping kedua keadaan elektronik yang berbeda, atom tersebut dapat pula berada dalam keadaan superposisi (paduan) dua keadaan tersebut. Atom tersebut dapat berada pada keadaan 0 dan 1 secara serentak. Secara umum, satu sistem kuantum dengan dua keadaan atau quantum bit (qubit) dapat dibuat berada dalam suatu keadaan superposisi dari kedua keadaan logiknya.

Perhatikan perbandingan berikut. Register konvensional tiga bit dalam satu saat hanya dapat menyimpan satu dari 8 kemungkinan keadaan yang berbeda seperti: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, dan 111. Sebaliknya, suatu register kuantum tiga qubit dalam satu saat dapat menyimpan 8 kemungkinan keadaan yang berbeda tersebut secara serentak sebagai suatu superposisi kuantum. Jika jumlah qubit terus ditambahkan pada register maka kapasitas penyimpanan keadaan (informasi) dalam register akan meningkat secara eksponensial, yaitu secara serentak 3 qubit dapat menyimpan 8 keadaan berbeda, 4 qubit dapat menyimpan 16 keadaan berbeda, dan seterusnya sehingga secara umum N qubit dapat menyimpan sejumlah 2N keadaan berbeda.

Sekali suatu register disiapkan dalam suatu superposisi dari keadaan-keadaan yang berbeda, operasi-operasi pada semua keadaan itu dapat dilakukan secara bersamaan. Sebagai contoh, jika qubit-qubit tersimpan dalam atom-atom, pulsa laser yang diatur secara tepat dapat mempengaruhi keadaan-keadaan elektronik atom dan mengubah superposisi awal menjadi superposisi lain yang berbeda. Selama perubahan tersebut setiap keadaan dalam superposisi awal terpengaruh sehingga dapat dihasilkan suatu komputasi masif secara paralel dalam satu keping hardware kuantum.

Suatu komputer kuantum dalam satu langkah komputasi dapat melakukan operasi matematis pada 2N input berlainan yang tersimpan dalam superposisi koheren N qubit. Untuk melakukan hal yang sama, suatu komputer konvensional harus mengulang operasi sejumlah 2N kali atau harus digunakan 2N prosesor konvensional yang bekerja bersamaan. Komputer kuantum menawarkan peningkatan yang sangat luar biasa dalam penggunaan dua sumber daya komputasi utama, yaitu waktu dan memori.

Kuantum Gates 

Kuantum Gates adalah sirkuit kuantum dasar operasi pada sejumlah kecil qubit . Mereka adalah analog untuk komputer kuantum untuk gerbang logika klasik untuk komputer digital konvensional . Quantum gerbang logika yang reversibel , tidak seperti banyak gerbang logika klasik . Beberapa yang universal gerbang logika klasik , seperti Toffoli gerbang , memberikan reversibilitas dan dapat langsung dipetakan ke logika kuantum gerbang . Quantum gerbang logika yang diwakili oleh matriks kesatuan 

Contoh :

Hadamard gate. This gate operates on a single qubit. It is represented by the Hadamard matrix:



Since the rows of the matrix are orthogonal, H is indeed a unitary matrix.


Phase shifter gates. Gates in this class operate on a single qubit. They are represented by 2 x 2 matrices of the form



where θ is the phase shift.


Controlled gates. Suppose U is a gate that operates on single qubits with matrix representation


The controlled-U gate is a gate that operates on two qubits in such a way that the first qubit serves as a control.

Thus the matrix of the controlled U gate is as follows:

Uncontrolled gate. We note the difference between the controlled-U gate and an uncontrolled 2 qubit gate

represented by the unitary matrix

Since this gate is reducible to more elementary gates it is usually not included in the basic repertoire of quantum gates. It is mentioned here only to contrast it with the previous controlled gate.


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.

Referensi :

http://www.komputasi.lipi.go.id/utama.cgi?artikel&1227938582

http://ashimima.com/perkembangan-teknologi-komputer-kuantum/

http://seto.citravision.com/berita-45-pengantar-quantum-computation--algoritma-shor.html

http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?artikel&1170379173

http://radhika.blogdetik.com/2011/05/27/komputasi-kuantum/