Komputer Kuantum

[Wiwin Sumbaga]

Komputer Kuantum
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 sana 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.

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).***

Ismail

Alumnus Fisika Teori
Institut Teknologi Bandung

[Yanto Mole]

Bagaimana Sebuah Komputer Kuantum Bekerja?
Nol, Satu, atau Keduanya
JIKA Anda mengenal sedikit mengenai cara kerja sebuah komputer, Anda tentu mengenal penggunaan bilangan biner sebagai pembawa informasi dalam suatu komputer. Dalam komputer, bilangan biner ini akan diolah oleh sebuah transistor dalam sebuah prosesor. Beberapa transistor dapat mengolah informasi sederhana, namun ribuan transistor dapat menjadi otak sebuah pemroses informasi yang luar biasa.

Dalam komputer kuantum, bilangan biner tidak lagi menjadi pembawa informasi. Hal ini disebabkan hukum fisika kuantum mengenal apa yang disebut dengan keadaan superposisi. Jadi, suatu sistem kuantum dapat berada dalam keadaan ‘on’ atau 1, dalam keadaan ‘off’ atau 0, atau berada dalam keadaan keduanya (superposisi). Hal inilah yang dimanfaatkan sebagai logika berpikir baru dalam komputer kuantum.

Sebagai contoh, dalam komputer kuantum, sebuah atom dapat dijadikan sebuah transistor atau disebut qubit (quantum bit). Atom tersebut dapat berada dalam keadaan superposisi yang berarti atom tersebut berada dalam keadaan 0 dan 1 sekaligus. Keadaan ini secara fisis berarti atom tersebut berada dalam keadaan dasar dan tereksitasi sekaligus. Jika keadaan superposisi ini dimanfaatkan untuk mewakili satuan informasi, sebuah komputer kuantum akan melakukan pemrosesan informasi dengan cara melakukan operasi uniter terhadap keadaan atom tersebut.

Oleh karena atom ini berada dalam keadaan superposisi (0 dan 1 sekaligus), operasi uniter ini melakukan operasi terhadap dua informasi sekaligus, yaitu 0 dan 1. Jika alih-alih menggunakan satu atom kita menggunakan 500 atom (500 qubit), dan kita melakukan suatu operasi uniter terhadap kelima ratus atom tersebut, kita telah memproses 2500 (dua pangkat lima ratus) satuan informasi sekaligus yang setiap satuan informasi diwakili oleh 500 digit angka biner! Jika jumlah informasi ini dikerjakan oleh komputer biasa, ini berarti Anda membutuhkan 10150 (sepuluh pangkat seratus lima puluh) buah prosesor terpisah yang bekerja secara paralel! Tentu saja hal ini tidak mungkin.

Meskipun suatu komputer kuantum menjanjikan kemampuan yang luar biasa, kendala utama dari perwujudannya adalah sebuah masalah yang dalam teori kuantum disebut decoherence. Decoherence adalah ketidakmungkinan suatu sistem kuantum untuk terisolasi murni dari lingkungannya. Decoherence menyebabkan operasi uniter tidak mungkin terhadap suatu sistem kuantum. Dengan decoherence, suatu sistem kuantum tidak lagi berada dalam keadaan superposisinya.

Suatu metode telah dikembangkan untuk mengatasi hal ini. Metode tersebut disebut quantum error correction. Metode ini diajukan pertama kali pada tahun 1995 dan lewat metode ini komputer kuantum berskala kecil (3 qubit) telah dibangun di Los Alamos, Amerika Serikat.***

Ismail
Alumnus Fisika Teori
Institut Teknologi Bandung.