Komputer Kuantum / Quantum Computing

1. Komputer Quantum

Komputer Quantum 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 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.

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.

 2. Alogaritma Komputer Quantum

a.       Alogaritma 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.

B. Alogarima Gover

Alogaritma Gover yaitu sebuah algoritma kuantum yang menawarkan percepatan kuadrat dibandingkan pencarian linear klasik untuk list tak terurut. Sebagian besar algoritma pencarian, seperti pencarian linear, pencarian biner dan pohon pencarian biner yang self-balancing, dapat dikembangkan dengan sedikit tambahan costuntuk menemukan semua nilai yang kurang dari atau lebih dari sebuah kunci, operasi ini disebut pencarian jangkauan (range search). Pengecualin ada pada tabel hash, yang tidak dapat melakukan pencarian tersebut secara efisien.

 3. Komputer quantum dapat mengenai sasaran hidrogen

Suatu komputer quantum dasar berhasil memecahkan salah satu pekerjaan penuh tantangan yang dihadapi ahli kimia sekarang ini – mengkalkulasikan energi molekular dari prinsip – prinsip dasar ilmmiah.

Meskipun dengan mengetahui energi molekul dapat membantu memprediksikan tingkat reaksi, namun tenaga komputer tetap perlu dan kompleksitas dalam mengerjakannya dari prinsip utama mendorong para ahli kimia menggunakan perkiraan, yang mungkin tidak akurat. Andrew White dari Universitas Queensland, Australia, menjelaskan bahwa studi1 pada tahun 2005 mengkalkulasikan model penuh untuk hidrogen dan helium, tetapi tidak dapat berbuat jauh. ‘Mereka mengatakan bahwa lithium yang nantinya dapat dilihat kelihatannya tidak mungkin,’ kata dia. ‘Jika anda mengambil suatu molekul dengan 100 elektron, anda bahkan tidak dapat memecahkannya dimana dengan menggunakan setiap komputer di dunia sekali waktu.’

Sekarang, White dan koleganya telah menciptakan suatu komputer yang mengeksploitasi perilaku eksotik dari sistem mekanis quantum untuk memecahkan beberapa permasalahan tersebut2. Pada suatu sistem, tenaga komputasional meningkat exponentially dengan setiap bit  quantum ekstra, atau qubit, dengan memparalelkan kebutuhan mengkalkulasikan energi molekular. White menekankan bahwa seberapa menggembirakannya pendekatan ini terhadap ilmu kimia adalah: ‘Di sutau tempat 20 tahun nantinya kita tentunya akan mempunyai sistem dengan qubit 10 hingga ratusan, dimana anda bisa “membobol bank”, memperluas tenaga komputasional di dunia,’ prediksinya.

Komputer quantum yang digunakan oleh White dan koleganya untuk mengkalkulasikan energi molekular  hidrogen

Sistem dari timnya White berkharakteristikan hanya dua qubit, dalam bentuk photon yang diciptakan secara simultan dengan menyinarkan sinar laser kedalam kristal. Mereka memproses hal tersebut melalui suatu gerbang logika quantum yang juga dikembangkan di Queensland, dengan menggunakan pengkomputeran algoritma quantum yang dikembangkan oleh para kolaborator dari  Universitas Harvard di Amerika Serikat untuk mengkalkulasikan energi molekular hidrogen. Komputer ini membalikkan -535.58±0.03kJmol-1 energi dalam keadaan dasar pada suatu ikatan equilibrium dengan panjang 73.48pm, sesuai sepenuhnya dengan hasil yang didapatkan pada komputer konvensional.

Para ilmuwan harus bergantung pada komputer biasa untuk melakukan beberapa bagian algoritma, suatu fakta yang sekarang ini membatasi pendekatan tersebut terhadap beberapa molekul yang sangat kecil. Mereka memperkirakan bahwa untuk  mereproduksi simulasi hidrogen dalam suatu cara yang dapat diskalakan akan membutuhkan empat qubit dan 522 gerbang yang sempurna. Sementara komputer dengan empat qubit sekarang ini sangatlah mungkin, White menegaskan bahwa suatu sistem dengan 522 gerbang tidaklah mungkin.

Paul Sherwood, pimpinan Science and Technology Facilities Council Inggris,kelompok komputasional ilmu kimia menyebut ini sebagai ‘suatu langkah maju yang signifikan’. ‘Sementara beberapa tantangan teknologi tetap ada, terobosan dalam pekerjaan ini memberikan  prospek yang menggembirakan dimana ahli kimiawi generasi selanjutnya akan memiliki akses pada simulasi kimiawi  quantum yang sangat akurat, bebas dari berbagai perkiraan – perkiraan kompleks yang diperlukan sekarang ini,’ kata dia.

4. Operasi komputer quantum

Operasi dari suatu komputer quantum menggunakan ion sebagai bit kuantum. (Analog dari bit digital yang terkait dengan informasi on dan off atau 1 dan 0). Struktur pemerangkap ion hanyalah satu komponen yang analog dengan kawat penghubung dalam komputer yang digunakan saat ini. Berkas-berkas laser diperlukan untuk mengendalikan dan menggunakan data kuantum sebagaimana transistor-transistor berfungsi terhadap bit-bit data digital yang kita kenal.

Terbuat dari suatu lapisan kwarsa (quartz) yang dilapisi emas dalam bentuk oval berukuran sekitar 2 mm x 4 mm, pemerangkap ion racetrack hasil rancangan kelompok NIST menampung 150 daerah kerja dimana bit-bit kuantum atau representasi spin dari ion-ion dapat disimpan dan dipindahkan dengan bantuan medan listrik dan dikendalikan dengan berkas-berkas laser untuk memroses informasi. Secara teori, pemerangkap ion tersebut dapat diperbesar hingga daya tampung daerah kerja jauh lebih besar dan dapat diproduksi secara masal dalam berbagai material.

Sumber :

http://nawieznet.wordpress.com/artikel/komputer-quantum/

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

http://vespaunikk.wordpress.com/2011/05/27/algoritma-kuantum/