The SuperStudents School (Advanced Super Human University)

The Development of Quantum Computer
(Perkembangan Komputer Kuantum)

Oleh:
Arip Nurahman
Department of Physic, Faculty of Sciences and Mathematics
Indonesia University of Education

Abstract

A quantum computer is any device for computation that makes direct use of distinctively quantum mechanical phenomena, such as superposition and entanglement, to perform operations on data. In a classical (or conventional) computer, information is stored as bits; in a quantum computer, it is stored as qubits (quantum bits). The basic principle of quantum computation is that the quantum properties can be used to represent and structure data, and that quantum mechanisms can be devised and built to perform operations with this data.

Although quantum computing is still in its infancy, experiments have been carried out in which quantum computational operations were executed on a very small number of qubits. Research in both theoretical and practical areas continues at a frantic pace, and many national government and military funding agencies support quantum computing research to develop quantum computers for both civilian and national security purposes, such as cryptanalysis.

Introduction

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. Teknologi ini adalah salah satu hasil dari "applied Physic"(fisika terapan).
Perkembangan komputer melaju dengan pesatnya. Gordan Moore, salah satu pendiri Intel bahkan mengatakan, kemampuan prosesor komputer (jumlah transistor dan kecepatannya) akan bertambah dua kali lipat setiap 18 bulan. Hal ini telah berlangsung selama hampir empat dasawarsa. Jika hal ini terus berlanjut, diperkirakan ukuran transistor pada tahun 2030 akan menjadi hanya sebesar atom hidrogen. Dengan ukuran sekecil ini, proses fisika dalam sebuah transistor tidak akan mengikuti hukum-hukum fisika klasik, namun mengikuti hukum fisika kuantum. Hal ini membuka cara baru dalam memandang proses pengolahan informasi sekaligus menciptakan harapan untuk menciptakan sebuah komputer yang kemampuannya melebihi kemampuan yang dapat dicapai komputer sekarang ini.

Jika dikatakan, komputer kuantum hanya butuh waktu 20 menit untuk mengerjakan sebuah proses yang butuh waktu 1025 tahun pada komputer saat ini, kita tentu akan tercengang. Hal inilah yang membuat para ilmuwan begitu tertarik untuk mengembangkan kemungkinan terbentuknya komputer kuantum. Meskipun hingga saat ini belum tercipta sebuah komputer kuantum yang dibayangkan oleh para ilmuwan, kemajuan ke arah sanalima tahun ke depan. Setidaknya, begitulah yang dikatakan oleh Raymond Laflamme, ilmuwan dari Massachusetts Institute of Technology (MIT), Amerika Serikat. terus berlangsung. Bahkan yang menarik, ternyata perkembangan komputer kuantum juga mengikuti apa yang dikatakan oleh Gordan Moore di atas. Jika hal ini benar, para ilmuwan akan dapat membangun sebuah komputer kuantum hanya dalam waktu lima tahun ke depan. Setidaknya, begitulah yang dikatakan oleh Raymond Laflamme, ilmuwan dari Massachusetts Institute of Technology (MIT), Amerika Serikat.

Isi

Algoritma Shor

Sebuah komputer kuantum tidaklah sama dengan komputer klasik. Hal ini tidak dalam hal kecepatan saja, namun juga dalam hal pemrosesan informasi. Sebuah komputer kuantum dapat mensimulasikan sebuah proses yang tidak dapat dilakukan oleh komputer klasik. Hal ini membuat para ilmuwan harus memiliki paradigma baru dalam hal permrosesan informasi.
Selama ini, sebuah komputer bekerja didasarkan hukum-hukum fisika klasik. Informasi didefinisikan secara positif, direpresentasikan secara material dan diproses berdasarkan hukum-hukum fisika klasik. Ketika para fisikawan masuk ke dalam teori kuantum dalam pemrosesan informasi, mereka diharuskan untuk mengubah pandangan mereka mengenai pemrosesan informasi. Lebih jauh lagi, mereka harus mengembangkan sebuah sistem logika baru yang mengikuti hukum-hukum fisika kuantum. Sistem logika baru ini disebut dengan logika kuantum. Sistem logika kuantum berbeda sama sekali dengan sistem logika yang selama ini dipakai, yaitu sistem logika yang dikembangkan oleh Aristoteles.

Dengan sistem logika yang baru, para ilmuwan harus memikirkan sebuah algoritma yang berbeda untuk memproses informasi. Inilah yang sebenarnya merupakan inti dari komputer kuantum. Beberapa algoritma telah dikembangkan dan yang di antaranya telah berhasil ditemukan adalah algoritma Shor yang ditemukan oleh Peter Shor pada tahun 1995. Lewat algoritma Shor ini, sebuah komputer kuantum dapat memecahkan sebuah kode rahasia yang saat ini secara umum digunakan untuk mengamankan pengiriman data. Kode ini disebut kode RSA. Jika disandikan melalui kode RSA, data yang dikirimkan akan aman karena kode RSA tidak dapat dipecahkan dalam waktu yang singkat. Selain itu, pemecahan kode RSA membutuhkan kerja ribuan komputer secara paralel sehingga kerja pemecahan ini tidaklah efektif.

Sebagai contoh, seorang pemecah kode akan membutuhkan waktu 8 bulan dan 1.600 pengguna internet jika ia akan memecahkan kode RSA yang disandikan dalam 129 digit. Jika hal ini mungkin, pengirim data hanya perlu menambahkan digit pada kode RSA-nya agar para pemecah kode membutuhkan waktu yang lebih lama lagi untuk memecahkan kuncinya. Sebagai gambaran, pemecahan kode RSA 140 (140 digit) akan membutuhkan waktu yang lebih lama dari umur alam semesta (15 miliar tahun). Namun, jika pemecah kode menggunakan komputer kuantum, mereka dapat memecahkan kode RSA 140 hanya dalam waktu beberapa detik. Hal inilah yang membuat waswas para pengguna channel komunikasi rahasia saat ini untuk melakukan pengiriman data secara aman.

Komunikasi kuantum

Namun, sebagai kompensasi dari semua itu, komputer kuantum juga memberikan cara baru dalam berkomunikasi secara aman lewat apa yang disebut dengan komunikasi kuantum. Lewat komunikasi kuantum, penerima dan pengirim data dapat mengetahui jika terdapat pihak ketiga yang mencoba untuk menyadap komunikasi yang mereka lakukan. Namun, komunikasi kuantum hanya mungkin jika tingkat noise dalam sebuah saluran komunikasi tidaklah terlalu tinggi. Saat ini, British Telecom telah berhasil membangun sebuah jaringan komunikasi yang memiliki noise tidak lebih dari 9 persen dalam jarak 10 km. Hal ini membuat komunikasi kuantum menjadi mungkin di masa depan.

Selain algoritma Shor, telah pula dikembangkan sebuah algoritma lain oleh Lov Grover. Dengan menggunakan algoritma Grover, komputer kuantum dapat melakukan pencarian data terhadap suatu database acak dengan kecepatan yang jauh melebihi kecepatan komputer saat ini.

Sejarah singkat

Ide mengenai komputer kuantum pertama kali muncul pada tahun 1970-an oleh para fisikawan dan ilmuwan komputer, seperti 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).

Di antara para ilmuwan tersebut, Feynmanlah yang pertama kali mengajukan model yang menunjukkan bahwa sebuah sistem kuantum dapat digunakan untuk melakukan komputasi. Lebih jauh, Feynman juga menunjukkan bagaimana sistem tersebut dapat menjadi simulator bagi fisika kuantum. Dengan kata lain, fisikawan dapat melakukan eksperimen fisika kuantum melalui komputer kuantum.

Pada tahun 1985, Deutsch menyadari esensi dari komputasi oleh sebuah komputer kuantum dan menunjukkan bahwa semua proses fisika, secara prinsipil, dapat dimodelkan melalui komputer kuantum. Dengan demikian, komputer kuantum memiliki kemampuan yang melebihi komputer klasik.

Setelah Deutsch mengeluarkan tulisannya mengenai komputer kuantum, para ilmuwan mulai melakukan riset di bidang ini. Mereka mulai mencari kemungkinan penggunaan dari sebuah komputer kuantum. Pada tahun 1995, Peter Shor merumuskan sebuah algoritma yang memungkinkan penggunaan komputer kuantum untuk memecahkan masalah faktorisasi dalam teori bilangan.

Hingga saat ini, riset di bidang komputer kuantum terus dijalankan di seluruh dunia. Beberapa kendala terus dicari pernyelesaiannya. Berbagai metode dikembangkan untuk memungkinkan terwujudnya sebuah komputer yang memilki kemampuan yang luar biasa ini. Sejauh ini, sebuah komputer kuantum yang telah dibangun hanya dapat mencapai kemampuan untuk memfaktorkan dua digit bilangan. Komputer kuantum ini dibangun pada tahun 1998 di Los Alamos, Amerika Serikat, menggunakan NMR (Nuclear Magnetic Resonance).
Laflamme, ilmuwan dari Massachusetts Institute of Technology (MIT), Amerika Serikat.

Kuantum Komputer saat ini

Pada pertengahan Februari lalu, perusahaan D-Wave memperlihatkan kompouter kuantum versi bisnis pertama di dunia melalui internet. Yang tampak pada gambar di atas adalah sirkuit chip kuantum yang di sediakan situs perusahaan tersebut.

Coba bayangkan bagaimana jadinya jika dalam saku kita terpasang komputer dengan kecepatan super tinggi? “Komputer Kuantum” (Quantum Computer) memiliki kemampuan hitung berkali-kali lipat dibanding komputer konvensional sekarang. Pada pertengahan Februari lalu, sebuah perusahaan yang baru berdiri di Kanada menyatakan telah meluncurkan komputer kuantum versi bisnis yang pertama di dunia, menimbulkan komentar dan kesangsian para sarjana maupun ahli terkait. Dan tak bisa tidak membuat kita berimajinasi, apakah era komputer kuantum telah tiba lebih awal? Komputer kuantum dioperasikan menurut karakteristik mekanika kuantum, menggunakan ilmu informasi kuantum, berdasarkan komputer yang dilandasi sepenuhnya dengan satuan kuantum (qubit). Perusahaan D-Wave yang berada di Vancover, Kanada mengatakan, bahwa komputer yang dikembangkan dengan prinsip mekanika kuantum perusahaan tersebut lebih cepat berkali-kali lipat dibanding sistem operasional komputer yang paling berkualitas di dunia saat ini. Komputer yang diberi nama “Orion” ini, menggunakan teknik cetakan rata yang sistematis, dipadukan dengan sebuah chip niobium superkonduksi dan suhu ultrarendah, dapat mengerjakan 16 qubit. Chip inti harus dingin hingga mendekati titik nol absolut (-125.15ºC), agar supaya dalam proses perhitungannya tetap dalam kondisi kuantum.

Perusahaan D-Wave menuturkan, bahwa komputer kuantum ini bisa mengoperasikan 64 ribu hitungan secara bersamaan, dan prototipe komputer kuantum yang diperlihatkannya pada 13 Februari lalu merupakan komputer tipe bisnis yang pertama di dunia, di dalamnya ditanami chip kuantum yang dapat mengoperasikan 16 qubit. Perusahaan tersebut berencana dalam waktu 18 bulan ke depan, kecepatannya akan dinaikkan hingga 32 qubits pada akhir tahun 2007 ini, dan pada 2008 mendatang kecepatannya akan dinaikkan 512 qubits hingga 1024 qubits, dan akan disewakan bagi perdagangan.

Apa kegunaan dari komputer kuantum ini ?

Kepala pelaksana perusahaan tersebut yakni Herb Martin mengatakan, bahwa manusia bisa menggunakan komputer kuantum merancang obat-obatan gen. Perusahaan juga bisa menggunakan komputer kuantum untuk mengelola rantai kebutuhan produk mereka. Martin mengatakan : “Coba bayangkan, jika suatu perusahaan memiliki 40 pabrik dan memproduksi satu juta komponen yang tidak sama, maka hal yang harus dicatat itu bukankah tidak sedikit.”
Komputer kuantum juga dapat digunakan melindungi keamanan. Karena peristiwa 9 September, sejumlah besar pemerintah berbagai negara dan perusahaan banyak yang menaruh perhatian pada ilmu statistik biologi, telah membentuk sejumlah besar tentang gambar obyek, sidik jari yang hendak mereka lacak. Orang yang terdaftar sebagai teroris, di mana meski bisa dengan aman lolos dari pemeriksaan pabean. Dengan adanya komputer kuantum pada dasarnya bisa dengan cepat kembali memeriksa apakah pihak lain itu teroris atau bukan melalui gudang arsip yang telah di input lebih dulu oleh dinas keamanan.

Martin menuturkan, bahwa dengan diluncurkannya produk tersebut membuktikan konsepsi teknologi perdagangan komputer kuantum ini. Customer perusahaan D-Wave adalah kalangan perdagangan. Tokoh dari kalangan perdagangan tidak peduli bagaimana teknologi ini dapat dioperasikan, asalkan bisa menyelesaikan pola perdagangan yang rumit mereka. Sesungguhnya, komputer dari perusahan D-Wave ini adalah sebuah komponen campuran, yang dipadukan dengan chip kuantum sebagai co-processor. Bagian terpenting adalah chip kuantum ini, terbuat dari bahan superkonduksi aluminium niobium. Mengapa komputer kuantum bisa mencapai hitungan cepat, adalah karena satuan data dasarnya adalah qubits, bisa secara bersamaan mengerjakan 0 dan 1 sekaligus dengan cepat mengerjakan semua qubits.

Sebagian besar insinyur berpendapat bahwa teknologi komputer kuantum masih harus di lalui dengan sepotong perjalanan yang panjang. Komputer kuantum yang digunakan sedikitnya masih membutuhkan 10 tahun lebih baru bisa dihadirkan. Perusahaan D-Wave yang mempublikasikan prototipe komputer kuantum pada 13 Februari lalu melaui situs net, dan yang lebih membuat sangsi para ahli maupun sarjana terkait adalah kebenarannya. Pada 7 Maret lalu, insinyur NASA dari Laboratorium Jet Propulsion yang terletak di Pasadena California, secara terbuka mengumumkan bahwa mereka memang pernah membuat sebuah chip kuantum khusus untuk perusahaan D-Wave. Bagi insinyur di Laboratorium Microdevices, NASA, membuat sirkuit superkonduksi untuk customer adalah hal yang biasa. Mereka juga penah merancang Chip untuk Hypers Inc di New York, selain itu juga pernah membuat perlengkapan pesawat antariksa untuk misi Herchel-nya ESA (European Space Agency).

Apakah komputer kuantum benar-benar tidak lama lagi akan hadir dalam kehidupan nyata sebagaimana yang dikatakan perusahann D-Wave? Sebagian besar perusahaan komputer terkemuka merasa sangsi atas hal ini. Selain itu ada ilmuwan yang berpendapat, bahwa jika memang benar ada sistem kuantum yang demikian praktis, terutama di saat penambahan atau penguraian sandi pada sistem finansial yang masih sangat lemah ini, maka ini akan menjadi satu terobosan teknologi yang penting. Namun ahli juga berpendapat, bahwa jika memang perusahaan kecil seperti D-Wave ini benar-benar memiliki teknologi demikian pasti akan berkembang positif, dalam 5-8 tahun jika mereka mendapatkan teknologi menyelesaikan rancangannya, maka besar kemungkinan akan dicari dan ditampung oleh perintis teknologi kelas berat seperti Intel dan IBM.

Menggunakan komputer kuantum untuk “memprakarsai era baru komputer” adalah impian yang didambakan oleh banyak laboratorium di dunia. Perusahan D-Wave menggunakan chip kuantum dan memadukannnya dengan komputer konvensional untuk memenuhi fungsi perdagangannya, meski jarak bidang dalam ilmu pengetahuan masih cukup panjang, namun ini seakan-akan memberitahu terlebih dahulu bahwa kemungkinan tibanya era kuantum lebih awal. Sejumlah analisator berpendapat, bahwa masalah utama komputer kuantum saat ini terletak pada kesulitan menjalankan bentuk kuantum mikorokosmis. Mungkin kelak di masa mendatang manusia bisa menemukan suatu rancangan yang sepenuhnya baru, dan bahan-bahan yang baru sama sekali. Sama seperti bahan-bahan semi konduktor terhadap perkembangan komputer elektrik.(!*)***)

Closing

Semoga masyarakat ilmiah di Negara kita terpacu untuk selalu mengembangkan potensi Ilmiahnya agar kita mampu bersaing dengan Negara-negara yang telah mencapai kemajuan dalam bidang teknologi tinggi.

“Bermimpilah dan berusahalah karena Tuhan akan mendekap erat mimpi dan perjuangan kita”.
-H2O-

Furthers Sources:

An Introduction to Quantum Computing,
by Phillip Kaye (Author), Raymond Laflamme (Author), Michele Mosca (Author) "A computer is a physical device that helps us process information by executing algorithms.
DiVincenzo, David P. (2000). "The Physical Implementation of Quantum Computation". Experimental Proposals for Quantum Computation. arXiv:quant-ph/0002077.
DiVincenzo, David P. (1995). "Quantum Computation". Science 270 (5234): 255–261.  Table 1 lists switching and dephasing times for various systems.
Feynman, Richard (1982). "Simulating physics with computers". International Journal of Theoretical Physics 21: 467. 
Jaeger, Gregg (2006). Quantum Information: An Overview. Berlin: Springer. ISBN 0-387-35725-4. "
Nielsen, Michael and Isaac Chuang (2000). Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-63503-9.
Benenti, Giuliano (2004). Principles of Quantum Computation and Information Volume 1. New Jersey: World Scientific. ISBN 9-812-38830-3.