Membuka kekuatan komputasi kuantum: bagaimana hal itu dapat mengubah dunia

Komputasi kuantum memiliki potensi untuk sepenuhnya mengubah pemahaman yang saat ini dimiliki kebanyakan orang tentang sifat realitas. Ada teori bahwa komputasi kuantum akan mengungkapkan bahwa alam semesta terbagi menjadi beberapa alam semesta paralel, dan masing-masing berisi versi realitas dengan hasil yang berbeda. Hal ini masih menjadi topik perdebatan di kalangan fisikawan, tapi kebenarannya adalah mungkin.

Apakah informasi ini menarik minat Anda pada komputasi kuantum? Jika demikian, mari selami dan jelajahi bidang yang menarik ini.

Komputasi kuantum: definisi dan prinsip

Komputasi kuantum berupaya memanfaatkan prinsip unik mekanika kuantum. Pada intinya, komputasi kuantum didasarkan pada gagasan menggunakan bit kuantum (atau qubit), yang tidak hanya mewakili satu nilai biner untuk melakukan komputasi. Dan tujuan bidang ini adalah untuk menciptakan teknologi komputasi baru yang kuat.

Komputasi kuantum didasarkan pada beberapa prinsip utama:

• Superposisi – Memungkinkan qubit untuk merepresentasikan beberapa nilai sekaligus. Misalnya, qubit dapat mewakili 0 dan 1, sedangkan bit klasik hanya dapat berupa 0 atau 1.
• Keterlibatan – Saat dua qubit terlibat, statusnya menjadi terkait dengan cara yang tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik. Apa yang membuatnya istimewa adalah bahwa informasi antara dua qubit menjadi dapat ditransmisikan secara instan. Jarak di antara mereka bukan sebuah masalah.
• Dekoherensi – Ini adalah sisi negatifnya. Keadaan kuantum qubit yang halus dapat diganggu oleh lingkungannya, hal ini menyebabkannya kehilangan koherensinya. Dalam hal ini, mereka menjadi sama dengan bit klasik.

Konsep komputasi kuantum mungkin sulit dipahami, bahkan untuk fisikawan partikel. Gagasan tentang superposisi dan keterikatan bisa sangat membekas, jadi wajar jika merasa bahwa hal itu menantang intuisi tentang cara kerja dunia pada tingkat subtonik.

Berkembangnya teknologi

“Peluang komputasi kuantum untuk memecahkan masalah kombinatoris skala besar dengan lebih cepat dan lebih terjangkau telah mendorong investasi miliaran dolar dalam beberapa tahun terakhir,” catat Avi Goldfarb di Rotman School of Management dan Roger Melko di University of Waterloo.

Salah satu faktor kunci yang mendorong perkembangan komputasi kuantum adalah potensinya untuk memecahkan masalah. Misalnya, komputer kuantum telah terbukti mampu memecahkan jenis masalah matematika tertentu secara eksponensial dengan waktu yang lebih cepat.

Faktor lain adalah bahwa telah terjadi kemajuan yang signifikan dalam teknologi itu sendiri. Para peneliti telah mengembangkan metode baru untuk membangun dan mengendalikan qubit, dan terdapat algoritme baru untuk memanfaatkan sifat unik komputasi kuantum.

Beberapa perusahaan besar, seperti IBM, Google, dan Microsoft, telah banyak berinvestasi dalam R&D komputasi kuantum. Tapi ini semua bukan hanya berkat para raksasa teknologi. Dengan pembentukan startup dan perusahaan baru, ada banyak kemajuan menarik di lapangan melalui upaya kolektif.

Apa yang dapat dilakukan komputer kuantum?

Sebelum membahas industri tertentu dan kasus penggunaan, mari kita bicara tentang tugas-tugas yang mampu dieksekusi komputer kuantum dalam artian yang umum.

Pembelajaran mesin

Saat para peneliti menggali lebih dalam batas-batas fisik mendasar dari informasi, mereka membuka jalan baru. Dan sekarang, mereka menemukan cara baru untuk memproses dan memanipulasi informasi.

Komputer kuantum dapat memproses sejumlah besar data secara bersamaan. Hal ini memungkinkan untuk mengeksekusi algoritme ML intensif data berskala besar jauh lebih efisien daripada komputer klasik. Selain itu, algoritme baru dapat memanfaatkan properti unik komputasi kuantum, seperti keterikatan dan superposisi.

Optimasi

Sekali lagi, salah satu keuntungan utama komputasi kuantum untuk pengoptimalan adalah percepatan komputasi. Dengan demikian, mereka dapat menangani masalah yang berada di luar jangkauan algoritme lain dan menemukan solusi terbaik di antara banyak opsi yang memungkinkan.

Simulasi

Jika Anda ingat, qubit bisa ada di banyak negara secara bersamaan. Artinya bagi para peneliti dan bisnis-bisnis adalah bahwa simulasi dapat berjalan secara paralel. Masih banyak penelitian yang harus dilakukan untuk mewujudkannya sepenuhnya, tetapi ini sudah digunakan untuk secara akurat memodelkan perilaku sistem yang kompleks dan untuk memprediksi propertinya.

Mengapa komputer kuantum penting?

Mari simak informasi yang telah dibahas sejauh ini dengan membuat daftar manfaat komputasi kuantum:

• Kecepatan – Komputer kuantum dapat memanfaatkan fenomena mekanika kuantum di banyak bidang yang membutuhkan perhitungan skala besar yang cepat.
• Paralelisme – Alih-alih memproses informasi dalam urutan linier, teknologi ini dapat menangani banyak input secara bersamaan.
• Efisiensi energi – Manfaat ini patut diperhatikan mengingat meningkatnya permintaan daya komputasi dan biaya energi terkait.
• Keamanan komunikasi – Protokol distribusi kunci kuantum dan enkripsi aman kuantum merupakan dua contohnya. Seiring kemajuan komputasi kuantum, ini mungkin dapat memecahkan banyak metode enkripsi yang saat ini digunakan, dan ini semakin meningkatkan kebutuhan akan enkripsi kuantum yang aman.

Penggunaannya dalam industri saat ini

Meskipun masih dalam tahap awal, komputasi kuantum telah menunjukkan hasil yang menjanjikan dalam berbagai kasus penggunaannya:

Bidang Farmasi

Dalam penelitian dan pengembangan, proses menghadirkan obat baru ke pasar dapat memakan waktu hingga sepuluh tahun dan menelan biaya rata-rata 2 miliar dolar. Namun, komputasi kuantum dapat mempercepatnya secara dramatis. Terlebih lagi, itu bisa membuatnya lebih tepat sasaran.

Komputasi kuantum membuat identifikasi target, desain obat, dan pengujian toksisitas kurang bergantung pada proses coba-coba. Ini mengarah pada pengembangan dan pengiriman produk yang lebih cepat ke pasien secara tepat.

Keuangan

Dengan cara yang sama, komputasi kuantum dapat menyimulasikan dan menganalisis model keuangan yang kompleks secara efisien. Hal yang biasanya memakan waktu berhari-hari atau bahkan berminggu-minggu untuk bekerja, kini hanya membutuhkan waktu hitungan jam atau bahkan hanya dalam beberapa menit.

Pada tahun 2020, JPMorgan Chase memperkenalkan prakarsa komputasi kuantum untuk mengeksplorasi potensi teknologi di bidang keuangan. Area fokus utama lab ini adalah prediksi akurat dari sistem keuangan dan jaringan kuantum yang tidak dapat dirusak.

Manufaktur yang kompleks

Teknologi ini dapat membantu mengidentifikasi akar penyebab kegagalan produk dalam proses manufaktur yang kompleks. Dengan cara ini, organisasi akan mengetahui dengan tepat bagian dari proses yang berkontribusi terhadap penyebab kegagalan produk.

Misalnya, untuk produk seperti microchip, proses produksinya bisa melalui ribuan langkah. Dan dengan diperkenalkannya komputasi kuantum, produsen tidak hanya dapat mencegah biaya kegagalan yang mahal, tetapi juga meningkatkan efisiensi.

Otomotif

Komputasi kuantum juga membantu desain kendaraan. Secara khusus, ini membantu dalam pengembangan bahan yang ringan dan berkekuatan tinggi yang dapat meningkatkan efisiensi bahan bakar dan mengurangi emisi. Karena industri otomotif terus beralih ke kendaraan listrik dan hibrida, peran ini akan semakin penting.

Mobilitas dan manajemen lalu lintas adalah bidang lain di mana komputasi kuantum dapat memberikan nilai. Misalnya, faktor-faktor seperti kondisi jalan, cuaca, dan pola lalu lintas dapat diperhitungkan untuk melakukan perencanaan rute waktu nyata dan mengurangi kemacetan.

Perkembangan dalam dekade berikutnya

“Hingga sekitar tahun 2030, kami percaya bahwa kasus penggunaan komputasi kuantum akan memiliki model operasi hybrid yang merupakan persilangan antara komputasi kinerja tinggi kuantum dan konvensional. Sebagai contoh, komputer konvensional berperforma tinggi dapat mengambil manfaat dari algoritme yang terinspirasi dari kuantum,” tulis Juan Miguel Arrazola di Xanadu Quantum Technologies

Selain model hibrid, dekade berikutnya menjanjikan waktu kemajuan pesat di bidang mutakhir ini. Berikut adalah beberapa perkembangan yang harus diperhatikan:

• Jumlah qubit yang meningkat – Meningkatkan jumlah qubit dalam sistem sambil mempertahankan koherensi adalah salah satu tantangan terbesar saat ini. IBM dan Google sedang mengerjakan sistem kuantum dengan qubit dalam jumlah yang banyak. Ke depan, jumlahnya bisa bertambah hingga ratusan bahkan ribuan.
• Meningkatkan koreksi kesalahan – Para peneliti sedang mengembangkan teknik koreksi kesalahan yang lebih baik yang dapat mempertahankan integritas informasi terlepas dari kebisingan lingkungan dan dekoherensi.
• Kriptografi kuantum – Saat dirilis ke pasar, kriptografi kuantum akan menggunakan perilaku partikel subatomik untuk menjamin kerahasiaan pesan. Tidak mungkin mengamati sistem tanpa mengubahnya.
• Aplikasi praktis baru – Anda akan melihat lebih banyak aplikasi praktis komputasi kuantum dalam ilmu material, rantai pasokan, prakiraan cuaca, dan banyak lagi.

Bagaimana komputasi kuantum mengubah dunia?

Dalam dunia imajiner sepuluh tahun dari sekarang, sebuah perusahaan energi besar berinvestasi dalam teknologi komputasi kuantum. Mereka mengembangkan algoritma kuantum yang dapat memprediksi permintaan energi secara real-time dan mengoptimalkan distribusi energi. Ini mengarah pada pengurangan yang signifikan dalam jejak karbon dan biaya energi mereka.

Perusahaan juga bermitra dengan penyedia energi terbarukan untuk menggunakan komputasi kuantum untuk menempatkan turbin angin dan panel surya. Algoritme kuantum memperhitungkan kecepatan angin, intensitas matahari, dan medan serta menentukan penempatan yang paling efisien.

Berikut skenario lainnya: sebuah perusahaan mengembangkan algoritme enkripsi baru yang tahan kuantum. Algoritme ini dapat menyimulasikan berbagai skenario enkripsi dan mengidentifikasi kelemahan yang tidak dapat dideteksi oleh metode komputasi tradisional. Terobosan ini kemudian diadopsi oleh pemerintah, lembaga keuangan, dan perusahaan di seluruh dunia dan mengantarkan era baru komunikasi yang aman dan penyimpanan data.

Masalah yang ada tentang komputasi kuantum

Ada beberapa masalah yang perlu ditangani sebelum dapat diadopsi secara luas:

• Keamanan – Komputasi kuantum berpotensi melanggar standar enkripsi saat ini, membahayakan data sensitif. Untungnya, para peneliti sedang mengeksplorasi teknik enkripsi baru.
• Hardware yang terbatas- Komputer ini memerlukan suhu yang sangat dingin dan kontrol yang akurat terhadap lingkungannya. Namun seiring berjalannya waktu, perangkat keras dapat menjadi lebih stabil dan tidak terlalu menuntut.
• Software yang terbatas – Sifat unik sistem kuantum membuat pengembangan perangkat lunak lebih menantang. Para profesional berusaha untuk meningkatkan bahasa pemrograman yang dapat disesuaikan dengan kebutuhan yang berkembang.
• Kekurangan SDM – Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan berinvestasi dalam program pendidikan dan pelatihan untuk ahli kuantum generasi berikutnya.
• Masalah etis – Setiap teknologi baru memiliki risiko disalahgunakan. Oleh karena itu, menetapkan pedoman dan peraturan etika akan sangat penting untuk memastikan penggunaan yang bertanggung jawab.

Langkah-langkah untuk mempersiapkan pematangan komputasi kuantum

Saat komputasi kuantum bersiap untuk memasuki tahap pengembangan baru, McKinsey membagikan rencana lima langkah untuk para pemimpin di luar industri komputasi kuantum:

1. Tetap mengikuti kemajuan industri dan meminta pakar komputasi kuantum menganalisis aplikasi komputasi kuantum. Sebagai tambahan atau sebagai alternatif, berkolaborasi dengan peneliti luar dan berpartisipasi dalam konsorsium komputasi kuantum.
2. Teliti risiko utama, gangguan, dan peluang dalam industri Anda.
3. Pertimbangkan untuk berinvestasi di perusahaan perangkat lunak untuk meningkatkan akses ke pengetahuan dan bakat. Untuk pendekatan yang lebih praktis, bermitralah dengan mereka.
4. Merekrut pakar internal dapat membawa operasi Anda ke tingkat yang lebih tinggi. Tim kompak yang terdiri dari hingga tiga spesialis sudah cukup untuk menjelajahi kasus penggunaan potensial.
5. Bangun infrastruktur digital yang memenuhi tuntutan operasional dasar komputasi kuantum. Ini termasuk memastikan bahwa data yang relevan tersedia dalam database digital dan mengkonfigurasi alur kerja komputasi tradisional untuk hardware yang lebih kuat.

Kesimpulan

Komputasi kuantum memiliki potensi untuk merevolusi pemecahan masalah, sebagaimana dibuktikan oleh kasus penggunaan saat ini. Teknologi ini secara eksponensial meningkatkan daya komputasi dan memberikan solusi untuk masalah kompleks yang sebelumnya tidak dapat dipecahkan.

Dalam waktu dekat, Anda dapat mengharapkan lebih banyak perkembangan komputasi kuantum di bidang kedokteran, keuangan, ilmu iklim, kriptografi, energi, dan banyak lagi. Namun sementara itu, bidang ini perlu melakukan bagiannya dalam memenuhi persyaratan untuk infrastruktur, perangkat keras, dan perangkat lunak yang canggih.

Sumber:

What is quantum computing? Amazon AWS

The world-changing race to develop the quantum computer, The New Yorker

Quantum computing use cases—what you need to know, McKinsey 

Quantum computing is coming. What can it do? Harvard Business Review