PENJELASAN TENTANG SUPREMASI KUANTUM

Google mengumumkan musim gugur ini ke banyak keriuhan bahwa ia telah menunjukkan "supremasi kuantum" - yaitu, ia melakukan perhitungan kuantum spesifik jauh lebih cepat daripada yang bisa dicapai oleh komputer klasik terbaik. IBM segera mengkritik klaim tersebut, dengan mengatakan bahwa komputer super klasiknya sendiri dapat melakukan perhitungan pada kecepatan yang hampir sama dengan kesetiaan yang jauh lebih besar dan, oleh karena itu, pengumuman Google harus diambil "dengan dosis skeptisisme yang besar."

Ini bukan pertama kalinya seseorang meragukan komputasi kuantum. Tahun lalu, Michel Dyakonov, seorang fisikawan teoritis di University of Montpellier di Perancis, menawarkan banyak alasan teknis mengapa superkomputer kuantum praktis tidak akan pernah dibuat dalam sebuah artikel di IEEE Spectrum, jurnal utama teknik elektro dan komputer.

Jadi bagaimana Anda bisa memahami apa yang sedang terjadi?

Sebagai seseorang yang telah bekerja pada komputasi kuantum selama bertahun-tahun, saya percaya bahwa karena kesalahan tak terhindarkan dalam perangkat keras, komputer kuantum yang berguna tidak mungkin dibangun.

Apa itu komputer kuantum?
Untuk memahami alasannya, Anda perlu memahami cara kerja komputer kuantum karena pada dasarnya berbeda dengan komputer klasik.

Komputer klasik menggunakan 0s dan 1s untuk menyimpan data. Angka-angka ini bisa berupa tegangan pada titik-titik berbeda dalam suatu rangkaian. Tetapi komputer kuantum bekerja pada bit kuantum, juga dikenal sebagai qubit. Anda dapat menggambarkannya sebagai gelombang yang terkait dengan amplitudo dan fase.

Qubit memiliki sifat khusus: Mereka dapat ada dalam superposisi, di mana mereka berdua 0 dan 1 pada saat yang sama, dan mereka mungkin terjerat sehingga mereka berbagi sifat fisik meskipun mereka dapat dipisahkan oleh jarak yang jauh. Itu adalah perilaku yang tidak ada di dunia fisika klasik. Superposisi menghilang ketika eksperimen berinteraksi dengan keadaan kuantum.

Karena superposisi, komputer kuantum dengan 100 qubit dapat mewakili 2.100 solusi secara bersamaan. Untuk masalah tertentu, paralelisme eksponensial ini dapat dimanfaatkan untuk menciptakan keunggulan kecepatan yang luar biasa. Beberapa masalah pemecahan kode dapat diselesaikan secara eksponensial lebih cepat pada mesin kuantum, misalnya.

Ada pendekatan lain yang lebih sempit untuk komputasi kuantum yang disebut kuantum anil, di mana qubit digunakan untuk mempercepat masalah optimisasi. D-Wave Systems, yang berbasis di Kanada, telah membangun sistem optimisasi yang menggunakan qubit untuk tujuan ini, tetapi kritik juga mengklaim bahwa sistem ini tidak lebih baik dari komputer klasik.

Apapun, perusahaan dan negara menginvestasikan sejumlah besar uang dalam komputasi kuantum. China telah mengembangkan fasilitas penelitian kuantum baru senilai US $ 10 miliar, sementara Uni Eropa telah mengembangkan rencana induk kuantum € 1 miliar ($ 1,1 miliar). National Quantum Initiative Act Amerika Serikat menyediakan $ 1,2 miliar untuk mempromosikan ilmu informasi kuantum selama periode lima tahun.

Memecah algoritma enkripsi adalah faktor pendorong yang kuat bagi banyak negara - jika mereka berhasil melakukannya, itu akan memberi mereka keuntungan intelijen yang luar biasa. Tetapi investasi ini juga mempromosikan penelitian mendasar dalam fisika.

Banyak perusahaan mendorong untuk membangun komputer kuantum, termasuk Intel dan Microsoft di samping Google dan IBM. Perusahaan-perusahaan ini berusaha membangun perangkat keras yang mereplikasi model sirkuit komputer klasik. Namun, sistem eksperimental saat ini memiliki kurang dari 100 qubit. Untuk mencapai kinerja komputasi yang bermanfaat, Anda mungkin membutuhkan mesin dengan ratusan ribu qubit.

Koreksi kebisingan dan kesalahan

Matematika yang menopang algoritma kuantum sudah mapan, tetapi ada tantangan teknik yang menakutkan.

Agar komputer berfungsi dengan baik, mereka harus memperbaiki semua kesalahan acak kecil. Dalam komputer kuantum, kesalahan semacam itu muncul dari elemen rangkaian yang tidak ideal dan interaksi qubit dengan lingkungan di sekitarnya. Untuk alasan ini qubit dapat kehilangan koherensi dalam sepersekian detik dan, oleh karena itu, perhitungan harus diselesaikan dalam waktu yang lebih singkat. Jika kesalahan acak - yang tidak dapat dihindari dalam sistem fisik apa pun - tidak diperbaiki, hasil komputer tidak akan bernilai.

Pada komputer klasik, noise kecil dikoreksi dengan memanfaatkan konsep yang dikenal sebagai thresholding. Ini bekerja seperti pembulatan angka. Jadi, dalam transmisi bilangan bulat di mana diketahui bahwa kesalahan kurang dari 0,5, jika yang diterima adalah 3,45, nilai yang diterima dapat dikoreksi menjadi 3.

2324/5000
Kesalahan lebih lanjut dapat diperbaiki dengan memperkenalkan redundansi. Jadi jika 0 dan 1 ditransmisikan sebagai 000 dan 111, maka paling banyak satu kesalahan bit selama transmisi dapat diperbaiki dengan mudah: A yang diterima 001 akan ditafsirkan sebagai 0, dan yang diterima 101 akan diartikan sebagai 1.

Kode koreksi kesalahan kuantum adalah generalisasi dari kode klasik, tetapi ada perbedaan penting. Untuk satu, qubit tidak dikenal tidak dapat disalin untuk memasukkan redundansi sebagai teknik koreksi kesalahan. Lebih lanjut, kesalahan yang ada dalam data yang masuk sebelum pengkodean koreksi kesalahan diperkenalkan tidak dapat diperbaiki.

Kriptografi kuantum

Sementara masalah kebisingan adalah tantangan serius dalam penerapan komputer kuantum, tidak demikian halnya dalam kriptografi kuantum, di mana orang berurusan dengan qubit tunggal, karena qubit tunggal dapat tetap terisolasi dari lingkungan untuk waktu yang signifikan. Menggunakan kriptografi kuantum, dua pengguna dapat bertukar angka yang sangat besar yang dikenal sebagai kunci, yang mengamankan data, tanpa ada yang dapat memecahkan sistem pertukaran kunci. Pertukaran kunci semacam itu dapat membantu mengamankan komunikasi antara satelit dan kapal laut. Tetapi algoritma enkripsi yang sebenarnya digunakan setelah kunci dipertukarkan tetap klasik, dan oleh karena itu enkripsi secara teoritis tidak lebih kuat dari metode klasik.

Kriptografi kuantum digunakan secara komersial dalam arti terbatas untuk transaksi perbankan bernilai tinggi. Tetapi karena kedua pihak harus diautentikasi menggunakan protokol klasik, dan karena rantai hanya sekuat tautan terlemahnya, itu tidak jauh berbeda dari sistem yang ada. Bank masih menggunakan proses otentikasi berbasis klasik, yang dengan sendirinya dapat digunakan untuk bertukar kunci tanpa kehilangan keamanan keseluruhan.

Teknologi kriptografi kuantum harus mengalihkan fokusnya ke transmisi informasi kuantum jika akan menjadi jauh lebih aman daripada teknik kriptografi yang ada.

Tantangan komputasi kuantum skala komersial

Sementara kriptografi kuantum memiliki beberapa harapan jika masalah transmisi kuantum dapat diselesaikan, saya ragu hal yang sama berlaku untuk komputasi kuantum umum. Koreksi kesalahan, yang merupakan hal mendasar bagi komputer multi-guna, merupakan tantangan signifikan dalam komputer kuantum sehingga saya tidak percaya mereka akan dibangun pada skala komersial.