Kami telah mendengar tentang komputer kuantum setidaknya selama beberapa tahun. Tapi apa itu? Untuk apa komputer kuantum? Hari ini semuanya tentang itu dengan kata-kata sederhana.
Kuantum komputer merupakan penemuan yang sangat diharapkan oleh banyak peneliti, diharapkan dapat memberikan dampak positif bagi perkembangan ilmu pengetahuan. Namun, memahami bagaimana fisika kuantum bekerja sangat sulit. Beberapa fisikawan bahkan meragukan apakah "komputer kuantum" saat ini harus disebut demikian. Kendala terbesar dalam penggunaan komputasi kuantum adalah banyaknya kesalahan yang dipengaruhi bahkan oleh perubahan terkecil dalam lingkungan mesin kuantum. Sejauh ini, kami belum berhasil sepenuhnya mengeksploitasi potensi bit kuantum. Hari ini kita akan mencoba mencari tahu apa yang istimewa dari bit kuantum ini?
Apakah komputer kuantum ada?
Inti dari setiap ilmuwan sejati adalah tidak mempercayai dan memeriksa setiap saat. Saya ingat kata-kata ini ketika saya masih mahasiswa. Dan lebih dari sekali dia memastikan kebenaran kalimat ini. Ini juga berlaku untuk "komputer kuantum". Mengapa saya mengutip nama komputer ini? Mari kita cari tahu.
Komputer kuantum adalah topik yang sangat kompleks, tetapi saya akan mencoba membuatnya sesederhana mungkin dan membicarakannya dengan cara yang mudah diakses. Bahkan saat ini, para ilmuwan, fisikawan, dan insinyur dapat memperdebatkan pertanyaan yang tampaknya sederhana tentang apakah komputer kuantum yang berfungsi ada di suatu tempat di dunia. "Tapi bagaimana, bagaimanapun, perusahaan seperti IBM membual tentang komputer kuantum!" - seseorang mungkin berkata. Dan dia akan benar. Masih menjadi pertanyaan terbuka apakah IBM benar-benar telah menciptakan komputer kuantum atau hanya menyebut perangkatnya sebagai "komputer kuantum".
Ketika salah satu teman saya meminta saya untuk menjelaskan dengan kata-kata sederhana bagaimana komputer kuantum berbeda dari komputer yang biasa kita gunakan, saya biasanya menggunakan perbandingan sederhana. Jika komputer klasik kita (seperti PC, laptop dan smartphone) adalah lilin, maka komputer kuantum adalah bola lampu. Tujuan keduanya sama – untuk lampu pijar dan lilin, itu adalah emisi cahaya, dan untuk komputer, itu untuk perhitungan. Namun, dalam kedua kasus tujuan dicapai dengan cara yang sama sekali berbeda dan hasilnya berbeda. Sederhananya, komputer kuantum bukan hanya versi perbaikan dari komputer modern, sama seperti bola lampu bukan hanya lilin yang lebih besar. Anda tidak dapat membuat bola lampu dengan membuat lilin lebih baik dan lebih baik. Bola lampunya berbeda ехнологія, berdasarkan pemahaman ilmiah yang lebih dalam. Demikian pula, komputer kuantum adalah jenis perangkat baru berdasarkan fisika kuantum, dan seperti halnya bola lampu mengubah masyarakat, komputer kuantum dapat memengaruhi banyak aspek kehidupan kita, termasuk kebutuhan keamanan, perawatan kesehatan, dan bahkan Internet .
Jadi, jika kita tetap pada perbandingan komputer dengan bola lampu, maka "kuantum Joseph Swan" (pencipta bola lampu pijar fungsional pertama) belum muncul, dan sejauh ini sains sedang mencoba, dengan kata sederhana, untuk membuat "sesuatu yang merah dan panas" dengan memeriksa, seberapa bersinarnya. Kita tahu beberapa dasar teoretis tentang cara kerja komputer kuantum, tetapi ada hambatan besar untuk pengembangannya yang masih menunggu untuk diselesaikan.
Pusat penelitian dan perusahaan di seluruh dunia sedang melakukan pengujian dan penelitian lebih lanjut, dan para ahli di bidang fisika kuantum sepakat bahwa penciptaan mesin kuantum yang berfungsi penuh yang dapat kita gunakan untuk mencapai tujuan yang tidak mungkin dicapai pada tahap ini jelas akan melewati puluhan. tahun.
Saya percaya, dan banyak ilmuwan akan setuju dengan saya, bahwa mesin yang saat ini disebut komputer kuantum tidak pantas mendapatkan nama seperti itu sama sekali. Mereka tidak memiliki kemampuan untuk melakukan perhitungan atau memecahkan masalah yang tidak dapat kita selesaikan dengan cara klasik dan normal.
Kami belum mencapai tingkat perkembangan teknologi kami sehingga kami dapat membuat mesin kuantum yang akan memecahkan masalah yang saat ini tidak dapat diakses oleh komputer klasik. Tentu saja, Google atau IBM berbicara tentang beberapa atau perhitungan lain yang dilakukan yang akan sulit dilakukan dengan cara klasik, tetapi saat ini mereka tidak meyakinkan.
Baca juga: China juga ingin menjelajahi luar angkasa. Jadi bagaimana kabar mereka?
Apa itu kuantum?
Apa itu "kuantum"? Itu bukan objek fisik. Istilah "kuantum" digunakan dalam fisika untuk menggambarkan pecahan terkecil dari sesuatu. Jadi Anda dapat memiliki "kuantum gaya", "kuantum waktu" atau "kuantum partikel". Mengikuti jalan ini, kita akan sampai pada istilah-istilah seperti "fisika kuantum" dan "mekanika kuantum", yaitu, cabang-cabang ilmu yang berurusan dengan interaksi atau sistem sekecil mungkin - pada tingkat atom dan bahkan quark individu.
Dan sekarang kita telah mencapai qubit (bit kuantum), yaitu, "unit informasi kuantum terkecil dan tak terpisahkan." Pada saat yang sama, kita juga sampai pada poin pertama, yang memberitahu kita tentang persamaan dan perbedaan bagaimana komputer klasik (menggunakan bit) dan komputer kuantum (menggunakan qubit) melakukan perhitungan.
Dalam komputer klasik, setiap informasi disimpan sebagai urutan satu dan nol. Informasi tersebut dirasakan dan ditafsirkan oleh komputer, konsol, smartphone, jam pintar dan Televisi pintar, mirip dengan operasi yang dilakukan pada informasi ini. Baik kita sedang melihat foto liburan, mengobrol dengan teman, memainkan game terbaru, atau melakukan perhitungan kriptografi tingkat lanjut, semuanya terjadi dalam sistem biner di mana ada 0 atau 1 dan tidak ada yang lain. Bahkan, ini lebih seperti ya atau tidak klasik.
Betapa tidak efisiennya sistem ini dapat dilihat ketika kita mencapai batasnya. Dan apakah kita kehabisan ruang di ponsel cerdas kita untuk selfie lain atau ilmuwan mencoba membuat model matematis dari perkembangan pandemi, masalahnya adalah terlalu banyak nol dan satu, dan sumber daya untuk menyimpannya dan kekuatan untuk menghitung mereka tidak tersedia.
Qubit memecahkan masalah ini. Sepotong informasi ini menggunakan sifat fisika kuantum yang memungkinkannya tetap berada dalam apa yang disebut superposisi. Qubit dapat mengambil nilai apa pun antara 0 dan 1. Ia memiliki sifat seluruh spektrum dan dapat memiliki nilai seperti 15 persen nol dan 85 persen satu. Secara teoritis, ini memungkinkan Anda untuk menyimpan lebih banyak informasi atau mempercepat perhitungan. Tetapi pada saat yang sama, banyak masalah muncul yang sulit dikendalikan dan bahkan dipahami.
Fitur lain dari komputer kuantum, yang memungkinkan penskalaan tambahan daya komputasi, adalah penggunaan belitan kuantum. Ini adalah keadaan di mana dua qubit terhubung satu sama lain, dan setiap kali kita mengamati salah satunya, yang lain akan berada dalam keadaan yang persis sama. Keterikatan memungkinkan qubit untuk dikelompokkan menjadi unit yang lebih efisien untuk merekam dan memproses informasi.
Baca juga: Siapa biohacker dan mengapa mereka secara sukarela melakukan chip sendiri?
Peralatan kuantum
Komputer kuantum terdiri dari tiga bagian utama: area untuk menyimpan qubit, metode untuk mengirimkan sinyal ke qubit, dan komputer klasik untuk menjalankan program dan mengirim instruksi.
Bahan kuantum yang membentuk qubit sangat halus dan sangat sensitif terhadap pengaruh lingkungan. Untuk beberapa metode penyimpanan qubit, unit yang menampung qubit disimpan pada suhu mendekati nol mutlak untuk memaksimalkan koherensinya. Jenis penyimpanan qubit lainnya menggunakan ruang vakum untuk meminimalkan getaran dan menstabilkan qubit.
Ada berbagai metode transmisi sinyal ke qubit, seperti gelombang mikro, laser, dan tegangan listrik.
Untuk membangun operasi normal komputer kuantum, perlu untuk memecahkan banyak masalah. Masalah utama dengan komputer kuantum adalah koreksi kesalahan, dan penskalaan (menambahkan lebih banyak qubit) semakin meningkatkan frekuensinya. Karena keterbatasan ini, komputer pribadi kuantum di meja Anda masih merupakan masa depan yang jauh, tetapi komputer kuantum komersial mungkin tersedia dalam waktu dekat. Mari kita bicarakan ini lebih detail.
Masalah komputer kuantum
Namun, komputer kuantum memiliki satu masalah besar. Artinya, para ilmuwan memiliki masalah besar dengan penggunaannya, karena, berkat sifat khusus mereka, qubit membutuhkan lingkungan yang cukup tenang untuk dapat secara akurat membaca data apa pun dari mereka. Setiap, bahkan pelanggaran terkecil akan membuat informasi tidak dapat dibaca secara akurat.
Dalam kasus komputer klasik, masalah serupa juga memainkan peran penting di masa lalu, tetapi hari ini sangat tidak signifikan sehingga sering diabaikan bahkan dalam ilmu akademis. Kita berbicara tentang tingkat kesalahan. Ini adalah indikator yang menentukan proporsi bit atau qubit informasi yang dapat rusak. Hal ini dapat terjadi, misalnya pada saat terjadi tegangan lebih atau gangguan lainnya.
Untuk perangkat klasik, probabilitas kesalahan kira-kira satu hingga 1017 sedikit Dalam kasus komputer kuantum, ini masih satu dari beberapa ratus. Dan ini dalam situasi di mana komputer kuantum bekerja dalam kondisi yang paling terisolasi dan pada suhu -272 derajat Celcius, yaitu sedikit di atas nol mutlak. Setiap fluktuasi suhu, perubahan medan elektromagnetik, dan bahkan gerakan menghancurkan seluruh perhitungan.
Masalah lain adalah "ketidakstabilan" keadaan kuantum. Setiap kali kita mengukur atau ingin mengganggu keadaan kuantum, ia kembali ke salah satu dari dua posisi, nol dan satu. Dalam hal ini, keadaan kuantum akan meluruh. Proses ini disebut dekoherensi kuantum.
Pikirkan seperti ini: komputer kuantum adalah ahli matematika terampil yang melakukan perhitungan kompleks, dan hasilnya antara 0 dan 1 juta. Kami, pada gilirannya, adalah anak yang hanya mengerti bahwa sesuatu bisa terlalu banyak atau terlalu sedikit. Kapan pun seorang ahli matematika mungkin memiliki hasil yang berbeda, seperti 356 atau 670,23, menurut pemahaman kita tentang dunia, masing-masing hasil ini akan diklasifikasikan sebagai sedikit (1) atau banyak (846), tanpa mendefinisikan perbedaan spesifik antara keduanya. Ini adalah dekoherensi kuantum. Satu-satunya cara untuk membuat perhitungan yang benar adalah dengan menjamin pekerjaan matematika sebelum selesai.
Baca juga: Apa yang akan dilakukan Ketekunan dan Kecerdikan di Mars?
Untuk apa kita menggunakan komputer kuantum?
Hari ini, muncul pertanyaan untuk apa komputer kuantum dapat digunakan, seperti 20 tahun yang lalu, untuk apa smartphone dapat digunakan. Tentu saja, sudah ada beberapa rencana dan asumsi, tetapi arah yang paling menarik untuk penggunaan qubit mungkin akan menjadi jelas ketika komputer kuantum menyebar luas.
Kriptografi adalah salah satu bidang paling populer di mana komputasi kuantum paling sering digunakan. Masalahnya adalah itu akan menjadi metode pengiriman informasi dengan cara yang sangat aman, dan keamanannya tidak didasarkan pada kompleksitas proses komputasi, tetapi pada hukum fisika, yang akan memberikan keyakinan bahwa hal-hal tertentu tidak mungkin. Dan pada saat ini tidak mungkin untuk mendengarkan, memata-matai, meretas.
Keamanan dalam hal ini dijamin oleh sifat fisik qubit, yang, seperti yang saya jelaskan sebelumnya, berhenti menampilkan fitur superposisi segera setelah diamati. Jadi setiap upaya untuk mencegat atau bahkan menyalin pesan yang disandikan hanya akan menghancurkannya.
Komputer kuantum juga memungkinkan kita untuk lebih memahami proses alami. "Kekacauan" superposisi jauh lebih baik mencerminkan cara, misalnya, mutasi pada DNA, dan oleh karena itu perkembangan penyakit dan evolusi. Komputasi kuantum sudah digunakan saat ini untuk membuat obat baru.
Mungkin masuk akal untuk berbicara tentang penggunaan komputer kuantum untuk teleportasi data. Ya, tepatnya teleportasi data, dan mungkin seseorang. Kami akan dapat memindahkan informasi dari satu tempat ke tempat lain tanpa mentransfernya secara fisik. Kedengarannya seperti fantasi, tetapi itu mungkin, karena fluiditas partikel kuantum ini dapat terjerat dalam ruang dan waktu, sehingga perubahan pada satu partikel dapat mempengaruhi partikel lain, dan ini menciptakan saluran untuk teleportasi. Ini telah ditunjukkan di laboratorium dan bisa menjadi bagian dari internet kuantum di masa depan. Kami belum memiliki jaringan seperti itu, tetapi beberapa ilmuwan sudah mengerjakan kemungkinan ini, mensimulasikan jaringan kuantum pada komputer kuantum. Mereka telah mengembangkan dan menerapkan protokol baru yang menarik, seperti teleportasi antara pengguna jaringan dan transfer data yang efisien, dan bahkan pemungutan suara yang aman.
Juga harus dikatakan bahwa komputer kuantum harus digunakan untuk mensimulasikan berbagai situasi dan menemukan solusi untuk masalah, termasuk obat-obatan dan vaksin. Misalnya, di masa pandemi seperti virus corona, saat dibutuhkan perhitungan dan perhitungan opsi yang lebih cepat. Di sini Anda dapat menggunakan kemungkinan pemodelan kuantum, yang tidak dapat dilakukan pada komputer klasik. Ketika penyakit baru muncul, proses menemukan obatnya memakan waktu sekitar 15 tahun dan dapat menelan biaya hingga $2,6 miliar. Pada beberapa penyakit, perlu untuk menyaring jutaan molekul untuk mengidentifikasi hanya ratusan individu yang menjanjikan yang kemungkinan akan menjadi donor. Kemudian, selama pengujian, sekitar 99% molekul dijatuhkan karena, antara lain, kesalahan prediksi perilaku dan keterbatasan pengambilan sampel. Di sinilah komputer kuantum akan muncul ke permukaan.
Dan ini masih hanya beberapa dari ide-ide luar biasa tentang apa yang dapat dicapai dengan menggunakan fisika kuantum. Saat ini, kami berhasil menjinakkan karakternya yang berubah-ubah sampai batas tertentu, tetapi semua perkembangan masih pada tingkat awal. Penciptaan komputer kuantum nyata dan aplikasi massalnya masih cukup jauh, tetapi kemajuan tidak berhenti. Oleh karena itu, mungkin dalam waktu sekitar sepuluh tahun Anda akan membaca artikel ini dengan bantuan komputer kuantum dan akan tersenyum merendahkan.
Baca juga:
Di sisi lain, Anda mungkin menggunakan perangkat memori modern