Apa itu komputasi kuantum? Solusi untuk masalah yang tidak mungkin

Tidak ada kekurangan hype di industri komputer, meskipun saya harus mengakui bahwa terkadang teknologinya memenuhi janji. Pembelajaran mesin adalah contoh yang bagus. Pembelajaran mesin telah digemari sejak tahun 1950-an, dan akhirnya menjadi berguna secara umum dalam dekade terakhir.

Komputasi kuantum diusulkan pada 1980-an, tetapi masih tidak praktis, meskipun itu tidak mengurangi sensasi. Ada komputer kuantum eksperimental di sejumlah kecil laboratorium penelitian, dan beberapa komputer kuantum komersial serta simulator kuantum yang diproduksi oleh IBM dan lainnya, tetapi bahkan komputer kuantum komersial masih memiliki jumlah qubit yang rendah (yang akan saya jelaskan di bagian selanjutnya) ), tingkat kerusakan tinggi, dan kebisingan dalam jumlah besar.

Komputasi kuantum menjelaskan

Penjelasan paling jelas tentang komputasi kuantum yang saya temukan ada dalam video ini oleh Dr. Talia Gershon dari IBM. Dalam video tersebut, Gershon menjelaskan komputasi kuantum kepada seorang anak, remaja, mahasiswa, dan mahasiswa pascasarjana, dan kemudian membahas mitos dan tantangan komputasi kuantum dengan Profesor Steve Girvin dari Universitas Yale.

Kepada anak itu, dia membuat analogi antara bit dan sen. Bit klasik adalah biner, seperti koin yang tergeletak di atas meja, menunjukkan kepala atau ekor. Bit kuantum ( qubit ) seperti uang logam yang berputar di atas meja, yang pada akhirnya bisa runtuh menjadi status berupa head atau tails.

Kepada remaja, dia menggunakan analogi yang sama, tetapi menambahkan kata superposisi untuk menggambarkan keadaan sen yang berputar. Superposisi keadaan adalah properti kuantum, umumnya terlihat pada partikel elementer dan di awan elektron atom. Dalam sains populer, analogi yang biasa adalah eksperimen pemikiran Kucing Schrödinger, yang ada di dalam kotaknya dalam status kuantum superposisi hidup dan mati, sampai kotak itu terbuka dan diamati menjadi satu atau yang lain.

Gershon melanjutkan untuk membahas keterikatan kuantum dengan remaja tersebut. Ini berarti bahwa status dua atau lebih objek kuantum terjerat saling terkait, bahkan jika mereka terpisah.

Ngomong-ngomong, Einstein membenci ide ini, yang dia anggap sebagai "tindakan menyeramkan dari kejauhan," tetapi fenomena itu nyata dan dapat diamati secara eksperimental, dan bahkan baru-baru ini telah difoto. Bahkan lebih baik lagi, cahaya yang terjerat dengan informasi kuantum telah dikirim melalui serat optik sepanjang 50 kilometer.

Terakhir, Gershon menunjukkan prototipe komputer kuantum IBM remaja dengan lemari es pengencerannya, dan membahas kemungkinan aplikasi komputer kuantum, seperti pemodelan ikatan kimia.

Bersama mahasiswa tersebut, Gershon menjelaskan lebih detail tentang komputer kuantum, chip kuantum, dan lemari es pengenceran yang menurunkan suhu chip hingga 10 mK (milliKelvin). Gershon juga menjelaskan keterjeratan kuantum secara lebih rinci, bersama dengan superposisi dan interferensi kuantum. Interferensi kuantum konstruktif digunakan dalam komputer kuantum untuk memperkuat sinyal yang mengarah ke jawaban yang benar, dan interferensi kuantum yang merusak digunakan untuk membatalkan sinyal yang mengarah ke jawaban yang salah. IBM membuat qubit dari bahan superkonduktor.

Dengan mahasiswa pascasarjana, Gershon membahas kemungkinan menggunakan komputer kuantum untuk mempercepat bagian penting dari pelatihan model pembelajaran yang mendalam. Dia juga menjelaskan bagaimana IBM menggunakan pulsa gelombang mikro yang dikalibrasi untuk memanipulasi dan mengukur status kuantum (qubit) dari chip komputasi.

Algoritma utama untuk komputasi kuantum (dibahas di bawah), yang dikembangkan bahkan sebelum satu qubit telah didemonstrasikan, mengasumsikan ketersediaan jutaan qubit yang sempurna, toleran terhadap kesalahan, dan dikoreksi kesalahan. Saat ini kami memiliki komputer dengan 50 qubit, dan mereka tidak sempurna. Algoritme baru yang sedang dikembangkan dimaksudkan untuk bekerja dengan jumlah qubit berisik yang terbatas yang kami miliki sekarang.

Steve Girvin, fisikawan teoritis dari Yale, memberi tahu Gershon tentang karyanya pada komputer kuantum yang toleran terhadap kesalahan, yang belum ada. Keduanya membahas frustrasi dekoherensi kuantum - "Anda hanya dapat menyimpan informasi kuantum begitu lama" - dan sensitivitas esensial komputer kuantum terhadap derau dari tindakan sederhana yang sedang diamati. Mereka menusuk mitos bahwa dalam lima tahun komputer kuantum akan memecahkan perubahan iklim, kanker, dan. Girvin: "Saat ini kami berada pada tahap tabung hampa atau transistor dalam komputasi kuantum, dan kami sedang berjuang untuk menemukan sirkuit terintegrasi kuantum."

Algoritma kuantum

Seperti yang disebutkan Gershon dalam videonya, algoritme kuantum lama mengasumsikan jutaan qubit yang sempurna, toleran terhadap kesalahan, dan dikoreksi kesalahan, yang belum tersedia. Namun demikian, ada baiknya mendiskusikan dua di antaranya untuk memahami janji mereka dan tindakan pencegahan apa yang dapat digunakan untuk melindungi penggunaannya dalam serangan kriptografi.

Algoritme Grover

Algoritme Grover, yang dibuat oleh Lov Grover pada tahun 1996, menemukan invers dari suatu fungsi dalam langkah O (√N); itu juga dapat digunakan untuk mencari daftar yang tidak berurutan. Ini memberikan percepatan kuadrat di atas metode klasik, yang membutuhkan langkah O (N).

Aplikasi lain dari algoritma Grover termasuk memperkirakan mean dan median dari sekumpulan angka, memecahkan masalah tabrakan, dan fungsi hash kriptografi rekayasa balik. Karena aplikasi kriptografi, para peneliti terkadang menyarankan agar panjang kunci simetris digandakan untuk melindungi dari serangan kuantum di masa depan.

Algoritma Shor

Algoritma Shor, yang dirancang oleh Peter Shor pada tahun 1994, menemukan faktor prima dari sebuah bilangan bulat. Ini berjalan dalam waktu polinomial dalam log (N), membuatnya secara eksponensial lebih cepat daripada saringan bidang bilangan umum klasik. Percepatan eksponensial ini menjanjikan untuk mematahkan skema kriptografi kunci publik, seperti RSA, jika ada komputer kuantum dengan qubit "cukup" (jumlah pastinya akan bergantung pada ukuran bilangan bulat yang menjadi faktor) dengan tidak adanya derau kuantum dan kuantum lainnya fenomena -decoherence.

Jika komputer kuantum pernah menjadi besar dan cukup andal untuk menjalankan algoritme Shor dengan sukses terhadap jenis bilangan bulat besar yang digunakan dalam enkripsi RSA, maka kita memerlukan sistem kriptografi "pasca-kuantum" baru yang tidak bergantung pada kesulitan faktorisasi prima.

Simulasi komputasi kuantum di Atos

Atos membuat simulator kuantum, Mesin Pembelajaran Kuantum, yang bertindak seolah-olah memiliki 30 hingga 40 qubit. Paket perangkat keras / lunak mencakup bahasa pemrograman perakitan kuantum dan bahasa hybrid tingkat tinggi berbasis Python. Perangkat ini digunakan di beberapa laboratorium nasional dan universitas teknis.

Quantum annealing di D-Wave

D-Wave membuat sistem anil kuantum seperti DW-2000Q, yang sedikit berbeda dan kurang berguna dibandingkan komputer kuantum tujuan umum. Proses anil melakukan pengoptimalan dengan cara yang mirip dengan algoritme stochastic gradient descent (SGD) yang populer untuk melatih jaringan neural pembelajaran dalam, kecuali bahwa hal itu memungkinkan banyak titik awal simultan dan penerowongan kuantum melalui perbukitan lokal. Komputer D-Wave tidak dapat menjalankan program kuantum seperti algoritma Shor.

D-Wave mengklaim bahwa sistem DW-2000Q memiliki hingga 2.048 qubit dan 6.016 skrup. Untuk mencapai skala ini, ia menggunakan 128.000 persimpangan Josephson pada chip pemrosesan kuantum superkonduktor, didinginkan hingga kurang dari 15 mK oleh lemari es pengenceran helium. Paket D-Wave menyertakan seperangkat alat Python sumber terbuka yang dihosting di GitHub. DW-2000Q digunakan di beberapa laboratorium nasional, kontraktor pertahanan, dan perusahaan global.

Komputasi kuantum di Google AI

Google AI sedang melakukan penelitian tentang qubit superkonduktor dengan arsitektur skalabel berbasis chip yang menargetkan kesalahan gerbang dua qubit <0,5%, pada algoritme kuantum untuk sistem pemodelan elektron yang berinteraksi dengan aplikasi dalam ilmu kimia dan material, pada pemecah klasik kuantum-hybrid untuk perkiraan pengoptimalan , pada kerangka kerja untuk mengimplementasikan jaringan saraf kuantum pada prosesor jangka pendek, dan supremasi kuantum.

Pada tahun 2018, Google mengumumkan pembuatan chip superkonduktor 72 qubit yang disebut Bristlecone. Setiap qubit dapat terhubung dengan empat tetangga terdekat dalam larik 2D. Menurut Hartmut Neven, direktur lab Quantum Artificial Intelligence Google, daya komputasi kuantum meningkat pada kurva eksponensial ganda, berdasarkan jumlah CPU konvensional yang dibutuhkan lab untuk mereplikasi hasil dari komputer kuantum mereka.

Pada akhir 2019, Google mengumumkan telah mencapai supremasi kuantum, kondisi di mana komputer kuantum dapat menyelesaikan masalah yang sulit diatasi pada komputer klasik, menggunakan prosesor 54-qubit baru bernama Sycamore. Tim Google AI Quantum memublikasikan hasil eksperimen supremasi kuantum ini di artikel Nature , "Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor". 

Komputasi kuantum di IBM

Dalam video yang saya diskusikan sebelumnya, Dr. Gershon menyebutkan bahwa "Ada tiga komputer kuantum yang ada di lab ini yang dapat digunakan siapa saja ." Dia mengacu pada sistem Q IBM, yang dibangun di sekitar qubit transmon, pada dasarnya persimpangan niobium Josephson dikonfigurasi untuk berperilaku seperti atom buatan, dikendalikan oleh pulsa gelombang mikro yang menyalakan resonator gelombang mikro pada chip kuantum, yang pada gilirannya alamat dan pasangan ke qubit di prosesor.

IBM menawarkan tiga cara untuk mengakses komputer kuantum dan simulator kuantum. Untuk “siapa saja” ada Qiskit SDK, dan versi cloud yang dihosting yang disebut IBM Q Experience (lihat gambar di bawah), yang juga menyediakan antarmuka grafis untuk merancang dan menguji sirkuit. Di tingkat berikutnya, sebagai bagian dari IBM Q Network, organisasi (universitas dan perusahaan besar) diberikan akses ke sistem komputasi kuantum dan alat pengembangan IBM Q yang paling canggih.

Qiskit mendukung Python 3.5 atau yang lebih baru dan berjalan di Ubuntu, macOS, dan Windows. Untuk mengirimkan program Qiskit ke salah satu komputer kuantum IBM atau simulator kuantum, Anda memerlukan kredensial IBM Q Experience. Qiskit menyertakan algoritme dan pustaka aplikasi, Aqua, yang menyediakan algoritme seperti Pencarian Grover dan aplikasi untuk kimia, AI, pengoptimalan, dan keuangan.

IBM meluncurkan generasi baru sistem IBM Q dengan 53 qubit pada akhir 2019, sebagai bagian dari armada komputer kuantum yang diperluas di Pusat Komputasi Kuantum IBM yang baru di Negara Bagian New York. Komputer ini tersedia di cloud untuk lebih dari 150.000 pengguna terdaftar IBM dan hampir 80 klien komersial, lembaga akademik, dan laboratorium penelitian.

Komputasi kuantum di Intel

Penelitian di Intel Labs telah mengarahkan langsung pada pengembangan Tangle Lake, prosesor kuantum superkonduktor yang menggabungkan 49 qubit dalam sebuah paket yang diproduksi di fasilitas fabrikasi 300 milimeter Intel di Hillsboro, Oregon. Perangkat ini mewakili prosesor kuantum generasi ketiga yang diproduksi oleh Intel, yang ditingkatkan dari 17 qubit pada pendahulunya. Intel telah mengirim prosesor Tangle Lake ke QuTech di Belanda untuk pengujian dan mengerjakan desain tingkat sistem.

Intel juga melakukan penelitian tentang spin qubit, yang berfungsi berdasarkan putaran satu elektron dalam silikon, yang dikendalikan oleh pulsa gelombang mikro. Dibandingkan dengan qubit superkonduktor, qubit spin jauh lebih mirip dengan komponen semikonduktor yang ada yang beroperasi dalam silikon, berpotensi mengambil keuntungan dari teknik fabrikasi yang ada. Spin qubit diharapkan tetap koheren jauh lebih lama daripada qubit superkonduktor, dan memakan lebih sedikit ruang.

Komputasi kuantum di Microsoft

Microsoft telah meneliti komputer kuantum selama lebih dari 20 tahun. Dalam pengumuman publik tentang upaya komputasi kuantum Microsoft pada Oktober 2017, Dr. Krysta Svore membahas beberapa terobosan, termasuk penggunaan qubit topologi, bahasa pemrograman Q #, dan Kit Pengembangan Kuantum (QDK). Akhirnya, komputer kuantum Microsoft akan tersedia sebagai ko-prosesor di awan Azure.

Qubit topologi berbentuk kawat nano superkonduktor. Dalam skema ini, bagian elektron dapat dipisahkan, menciptakan peningkatan tingkat perlindungan untuk informasi yang disimpan dalam qubit fisik. Ini adalah bentuk perlindungan topologi yang dikenal sebagai partikel kuasi Majorana. Partikel kuasi Majorana, fermion aneh yang bertindak sebagai anti-partikelnya sendiri, diprediksi pada tahun 1937 dan terdeteksi untuk pertama kalinya di lab Microsoft Quantum di Belanda pada tahun 2012. Qubit topologi memberikan fondasi yang lebih baik daripada persimpangan Josephson karena memiliki tingkat kesalahan yang lebih rendah, mengurangi rasio qubit fisik menjadi qubit logis yang dikoreksi kesalahan. Dengan rasio yang dikurangi ini, qubit yang lebih logis dapat masuk ke dalam lemari es pengenceran, menciptakan kemampuan untuk menskalakan.

Microsoft telah memperkirakan secara beragam bahwa satu qubit Majorana topologis bernilai antara 10 dan 1.000 qubit persimpangan Josephson dalam hal qubit logis yang dikoreksi kesalahan. Selain itu, Ettore Majorana, fisikawan teoretis Italia yang meramalkan partikel kuasi berdasarkan persamaan gelombang, menghilang dalam keadaan yang tidak diketahui selama perjalanan perahu dari Palermo ke Napoli pada 25 Maret 1938.