Kecepatan komputer mengolah informasi
sangat ditentukan oleh prosesornya. Dalam teknologi digital silikon
(konvensional), untuk meningkatkan kecepatan prosesor kerapatan transistor
dalam cip prosesor harus ditingkatkan. Upaya untuk meningkatkan kerapatan
transistor ini tidak mungkin dilakukan terus menerus tanpa batas karena suatu
saat pasti akan mencapai maksimum, yaitu ketika ukuran transistor sudah tidak
dapat diperkecil lagi. Pada keadaan ini perlu ditemukan teknologi baru,
misalnya teknologi kuantum, untuk meningkatkan kecepatan prosesor.Istilah
kuantum (quantum) belakangan ini mulai populer dan sering digunakan dalam
berbagai konsep yang memperkenalkan suatu paradigma baru, misalnya quantum
learning, quantum teaching, quantum business, dan sebagainya. Kiranya tidak berlebihan
jika dikatakan bahwa istilah kuantum pertama kali diperkenalkan oleh Max
Planck, seorang fisikawan Jerman, dalam teori kuantum cahaya untuk menjelaskan
radiasi benda hitam. Secara tak langsung teori inilah yang melahirkan fisika
kuantum yang mempunyai efek dominan pada sistem dalam skala atomik.
Sejalan dengan perkembangan ilmu fisika
dan informasi, belakangan ini telah mulai dikembangkan komputasi kuantum yang
menggunakan prinsip-prinsip fisika kuantum. Komputasi kuantum ini nantinya
diharapkan dapat melahirkan teknologi kuantum yang memungkinkan terobosan
teknologi untuk mewujudkan komputer masa depan (komputer kuantum) yang bekerja
dengan cara yang sama sekali berbeda dengan komputer konvensional yang dikenal
saat ini.
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. 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.
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.
Tahap awal menuju gerbang logika kuantum
dan jaringan kuantum sederhana adalah usaha mengontrol fenomena kuantum dalam
suatu eksperimen. George Johnson dari New York Times melaporkan bahwa di Los
Alamos, USA, Dr Raymond Laflamme dan Dr Emanuel Knill sedang melakukan
eksperimen yang mengaplikasikan komputasi kuantum dengan menggunakan NMR
(nuclear magnetic resonance) yang sebelumnya sering digunakan untuk memetakan
struktur molekul berdasarkan respons atom-atom penyusunnya terhadap gelombang
elektromagnetik. Teknologi serupa ini, magnetic resonance imaging (MRI) sudah
cukup lama dan cukup banyak digunakan di rumah sakit, yaitu untuk melakukan
scanning pada jaringan tubuh manusia.
Dalam eksperimen yang telah dilakukan,
lima qubit disimpan dalam spin-spin inti lima atom yang menyusun suatu molekul
yang disebut asam kroton (crotonic acid) yang disintesis secara khusus oleh
ahli kimia Los Alamos, Dr Rudy Martinez. Spin merupakan besaran intrinsik dalam
fisika kuantum, secara analog digambarkan sebagai efek yang timbul dari gerak
putar seperti gasing yang dapat berinteraksi dengan medan magnet. Jika gerak
putar searah jarum jam dinyatakan sebagai keadaan spin down atau 0, maka gerak
putar dalam arah berlawanan jarum jam dinyatakan sebagai keadaan spin up atau
1.
Mula-mula suatu sampel asam kroton yang
berisi sekitar 1021 (satu milyar trilyun) molekul diletakkan di dalam inti
spektrometer NMR. Sejumlah nitrogen dan helium cair digunakan untuk
mendinginkan kumparan superkonduktor NMR untuk menghasilkan medan magnet yang
sangat kuat.
Pada awal eksperimen, spin inti-inti atom
dalam molekul asam kroton berorientasi ke segala arah secara acak. Melalui
keyboard komputer yang terhubung ke NMR, peneliti meratakan arah spin dengan
medan elektromagnetik, hanya saja hasilnya tidak sepenuhnya rapi.
Medan magnet yang kuat dalam NMR hanya
dapat menyebabkan sebagian kecil, sekitar 1013 (sepuluh trilyun) molekul,
mempunyai orientasi spin inti yang dapat dinyatakan sebagai 11111.
Molekul-molekul homogin inilah yang digunakan dalam komputasi kuantum. Hal ini
dapat dilakukan sebab setiap spin dari kelima inti dalam molekul tersebut
beresonansi pada frekuensi yang berbeda.
Dengan menggunakan pulsa gelombang radio
peneliti dapat memilih spin inti tertentu, misalnya inti kedua, dan
menggoncangkannya serupa bel sehingga semua spin inti kedua dari sekitar 10
trilyun molekul tersebut berdenting secara sinkron. Jika pulsa gelombang radio
diatur dalam selang waktu yang tepat, spin inti-inti kedua dapat diputar ke
arah berlawanan, disimbolkan sebagai keadaan 0. Pulsa lain dengan karakteristik
sama akan mengembalikan orientasi spin inti-inti kedua ke arah semula atau
keadaan 1. Sebaliknya, pulsa dengan selang waktu setengah kali akan menyebabkan
spin inti-inti tersebut berada dalam superposisi kuantum: secara bersamaan pada
keadaan 1 dan 0.
Yang digambarkan di atas tak lain daripada
suatu saklar kuantum. Suatu molekul dapat digunakan untuk melakukan perhitungan
sebab spin inti-inti atomnya, seperti saklar-saklar kecil di dalam cip komputer,
dapat berinteraksi satu terhadap yang lain: suatu pulsa gelombang radio akan
menyebabkan spin inti tertentu berubah dari keadaan 1 ke 0 atau sebaliknya. Di
dalam komputer digital susunan demikian ini dikenal sebagai gerbang logika,
komponen dasar untuk suatu komputasi. Serangkaian gerbang logika memungkinkan
suatu komputasi dapat dilakukan.
Berbekal keberhasilan dan pengetahuan yang
diperoleh dari penelitian sebelumnya, kelompok peneliti di Los Alamos melakukan
penelitian komputasi kuantum dengan menggunakan 10 qubit. Dalam penelitian ini
mereka melakukan koreksi kesalahan kuantum, salah satu komponen yang sangat
penting bagi perkembangan teknologi kuantum.
Dapatkah komputer kuantum direalisasikan
dalam waktu dekat merupakan suatu pertanyaan yang sulit dijawab. Lahirnya
teknologi baru selalu membawa perubahan yang perlu dicermati dan diantisipasi.
Yang pasti, teknologi kuantum untuk mewujudkan komputer kuantum akan membawa
paradigma baru dalam dunia komputer, baik dari segi hardware maupun software (algoritma).
Tidak ada komentar:
Posting Komentar