Inovasi dari komputer kuantum, mengapa kita membutuhkannya?

IBM Q, komputer kuantum yang dikembangkan oleh IBM. IBM Research/flickr, CC BY-ND

Inovasi dari komputer kuantum, mengapa kita membutuhkannya?

Bayangkanlah satu lampu di kamar Anda hidup dan mati dalam waktu yang bersamaan. Atau seekor kucing yang hidup dan mati dalam waktu yang bersamaan. Bisakah Anda membayangkannya? Tentu ini sulit dibayangkan.

Fenomena “hidup dan mati” secara bersamaan itu akan kita temui dalam komputer kuantum. Jenis komputer ini memanfaatkan fenomena yang disebut superposisi, yakni fenomena kuantum yang memungkinkan dua keadaan berbeda atau bertolak belakang terjadi dalam waktu yang bersamaan. Fenomena ini terjadi pada benda berukuran sangat kecil seperti atom, bukan pada kucing atau ball lamp.

Perusahaan-perusahaan raksasa teknologi informasi seperti Google, Microsoft, dan IBM kini sedang berlomba merealisasikan sebuah teknologi yang pada masa mendatang dipercaya dapat berdampak besar bagi kehidupan manusia.

Mereka berlomba untuk merealisasikan komputer kuantum, sebuah mesin penghitung yang memanfaatkan fisika kuantum dalam proses penghitungannya. Mesin ini diprediksi akan memiliki kemampuan yang jauh melebihi komputer yang kita gunakan saat ini.

Komputer yang sering kita pakai sekarang telah memberikan begitu banyak manfaat yang mungkin tidak dapat dibayangkan oleh orang tua kita puluhan tahun silam. Komputer “klasik” ini bisa kita gunakan untuk hal sederhana seperti menghitung harga barang belanjaan, membuat tugas sekolah, berkomunikasi melalui media sosial, hingga mengenali wajah dan suara kita melalui kecerdasan buatan yang dimilikinya.

Manfaat yang tak terbayangkan saat ini akan dapat terwujud pada masa mendatang dengan terwujudnya komputer kuantum. Bagaimana komputer kuantum bekerja? Dan bagaimana komputer kuantum dapat memiliki kemampuan yang jauh melampaui komputer kita saat ini? Tulisan ini menjelaskan inovasi yang begitu ambisius dan segera bisa diwujudkan tersebut.

Komputer klasik

Komputer yang kita gunakan saat ini memproses segala informasi dalam kombinasi angka biner yang disebut bit (kependekan dari binary digit). Sebuah bit dapat berupa “1” atau “0”. Ini seperti sakelar di rumah kita yang jika kita tekan akan menghidupkan lampu di kamar dan jika kita tekan lagi akan mematikan lampu. Apa yang terlihat pada layar komputer kita saat ini adalah hasil pemrosesan dari kombinasi banyak bit.

Sebagai contoh, jika kita punya dua buah bit, angka desimal 2 akan diwakilkan sebagai kombinasi bit “10” (satu-nol, bukan angka sepuluh). Dua buah bit dapat merepresentasikan angka desimal sebanyak 22 yang dimulai dari “00” yang merepresentasikan nol, “01” merepresentasikan angka desimal 1, “10” merepresentasikan angka desimal 2, dan “11” merepresentasikan angka desimal 3.

Semakin banyak bit yang kita punya semakin banyak angka desimal yang bisa direpresentasikan dan diproses, sesuai dengan rumus 2n, dengan n adalah jumlah bit. Semakin banyak bit yang digunakan dalam sebuah komputer, semakin banyak informasi yang dapat diproses oleh komputer; yang berarti semakin baik kinerja komputer tersebut dalam melakukan tugas-tugas penghitungan yang rumit.

Superposisi kuantum

Sekarang, bayangkan bagaimana jika informasi dalam bit yang tadinya hanya berupa “0” atau “1” dapat sekaligus berupa “0” dan “1” pada waktu yang bersamaan. Komputer kuantum memanfaatkan fenomena yang dinamakan superposisi, yakni fenomena kuantum yang memungkinkan dua keadaan berbeda terjadi dalam waktu yang bersamaan.

Dalam dunia mikroskopis, molekul, atom, atau elektron dapat berperilaku sangat aneh dan sangat berbeda dengan dunia makroskopis yang dapat kita amati tanpa mikroskop. Benda-benda di dunia mikroskopis dapat berada di dua keadaan yang berbeda dalam satu waktu. Ini sulit dibayangkan bagi kita yang terbiasa mengindera benda-benda di sekitar kita yang hanya bisa berada dalam salah satu dari dua keadaan saja dalam satu waktu.

Sebagai gambaran, kita bisa ibaratkan lampu sebagai elektron, kemudian hidup dan matinya lampu kita ibaratkan dengan dua keadaan elektron. Di dunia mikroskopis kita bisa mendapati “lampu kuantum” ini hidup dan mati di waktu yang sama.

Fisikawan Austria Erwin Schrödinger punya dongeng menarik tentang fenomena superposisi. Ia membayangkan seekor kucing yang berada di dalam kotak terisolasi dan terhubung dengan dunia kuantum. Kucing Schrödinger ini selama berada di dalam kotak berada dalam dua keadaan yang berbeda dalam satu waktu, yaitu hidup dan mati. Bukankah itu sangat aneh dan tidak mungkin terjadi di dunia makroskopis yang biasa kita lihat? Tapi seperti itulah dunia kuantum.

Komputer kuantum memanfaatkan fenomena superposisi dalam proses penghitungannya. Alih-alih menghitung bit demi bit atau kombinasi bit demi kombinasi bit dalam satu waktu, komputer kuantum dapat menghitung secara bersamaan terhadap banyak bit atau kombinasi bit dalam satu waktu.

Secara fisik, keadaan kuantum pada komputer kuantum bisa direalisasikan oleh benda-benda kecil seukuran molekul (10-10 meter) atau yang lebih kecil. Sebagai contoh, elektron memiliki sifat intrinsik menyerupai batang magnet yang dinamakan spin. Seperti magnet, elektron dapat menunjuk ke satu arah tertentu, atas atau bawah. Dua arah spin elektron yang berlawanan ini ibarat bit “0” dan “1” pada komputer klasik.

Keadaan kuantum pada spin elektron biasa dituliskan dengan |0〉 ketika menunjuk arah bawah, |1〉 ketika menunjuk ke atas, atau a|0〉 + b|1〉 ketika menunjuk ke atas dan ke bawah sekaligus. Tanda | 〉 disebut dengan “ket”, adalah representasi matematis dari suatu keadaan kuantum.

Ilustrasi yang menggambarkan konsep Kucing Schrödinger. Open Clip Art Library/Modified by author.

Penghitungan paralel

Bayangkan sebuah komputer klasik dengan dua bit, komputer ini hanya dapat melakukan penghitungan terhadap kombinasi bit “00”, “01”, “10”, atau “11” saja dalam satu waktu. Sekarang, jika kita punya sebuah komputer kuantum dengan dengan dua buah qubit (dibaca kiubit) (kependekan dari quantum bit), sebutan untuk bit dari komputer kuantum, komputer kuantum dapat melakukan penghitungan terhadap keempat kombinasi |00〉, |01〉, |10〉, dan |11〉 sekaligus dalam satu waktu.

Dalam komputer kuantum, semakin banyak jumlah qubit N yang digunakan akan semakin banyak keadaan kuantum yang bisa digunakan untuk menghitung secara serentak, yang dirumuskan sebagai 2N. Tiap tambahan sebuah qubit dalam sebuah komputer kuantum, jumlah keadaan kuantum yang bisa digunakan dalam penghitungan akan menjadi dua kali lipat. Peningkatan jumlah qubit akan meningkatkan kemampuan komputasi komputer kuantum secara eksponensial.

Hal ini sangat menguntungkan jika kita menghitung super rumit yang melibatkan sangat banyak angka seperti menghitung reaksi kimia dari atom-atom dalam sebuah material yang jumlahnya bisa mencapai ribuan triliun. Jika kita punya 128 qubit saja, kita akan punya 2128 atau 3,402823669×1038 (3,402823669 diikuti 38 angka nol) keadaan, ini jumlah yang lebih banyak dari jumlah atom dalam satu liter air.

Kita bisa membandingkan secara kasar bagaimana kinerja komputer kuantum dapat melampaui kinerja komputer klasik kita. Bayangkan kita punya 16 buah komputer klasik yang bekerja secara paralel dengan tiap-tiap komputer memiliki kecepatan pemrosesan 2 GHz (giga Hertz), yang berarti dapat memproses 2 miliar informasi dalam satu detik. Kita dapat melakukan 32 miliar (16 × 2 miliar) penghitungan tiap detiknya dengan 16 komputer tersebut.

Jika kita punya satu buah saja komputer kuantum dengan 8 qubit saja, yang berarti mempunyai 256 keadaan, dan memiliki kecepatan pemrosesan yang sama yaitu 2 GHz, itu berarti kita dapat melakukan 256 dikalikan dengan 2 miliar. Ini sama dengan 512 miliar penghitungan setiap detiknya. Bayangkan betapa jauh perbedaanya dengan jumlah qubit setengah saja dari jumlah komputer klasik!

Apa yang bisa dilakukan komputer kuantum?

Dengan komputer kuantum diharapkan penghitungan-penghitungan super rumit yang melibatkan angka dalam jumlah yang sangat banyak dapat dilakukan. Farmakolog dapat menghitung bagaimana tiap-tiap atom dalam sebuah obat dapat bereaksi terhadap sejumlah virus dengan lebih cepat dan cermat untuk menghasilkan obat yang lebih ampuh melawan penyakit.

Ilmuwan material dapat merancang material-material baru yang dapat mengonversi energi panas atau cahaya dari matahari secara lebih efisien. Klimatolog dapat memprakirakan dengan lebih cermat perubahan cuaca ekstrem akibat perubahan iklim global sehingga pemerintah dapat melakukan antisipasi untuk mengurangi dampak buruknya.

Anda mungkin tidak akan menggunakan komputer kuantum untuk meng-update status media sosial, karena itu berarti fungsi komputer kuantum akan menjadi mubazir. Tapi, farmakolog, fisikawan, kimiawan, hingga ilmuwan komputer akan sangat terbantu dengan adanya komputer kuantum. Akan semakin banyak inovasi-inovasi yang bermanfaat bagi kelangsungan hidup manusia yang akan dihasilkan dari penghitungan mereka menggunakan komputer kuantum.