Kapan Komputasi Kuantum Menjadi Praktik Nyata dan di Mana Posisi Kita Sekarang

Komputer kuantum telah mulai dibuat sejak beberapa dekade lalu. Dipuji sebagai ‘the next big thing’ dengan potensi besar untuk mengatasi banyak masalah yang saat ini tidak terpecahkan, pasar komputasi kuantum diperkirakan akan mencapai 1,76 miliar dollar AS pada 2026, didorong oleh berbagai investasi dari sektor publik untuk riset dan pengembangan, menurut MarketsandMarkets Research Private Ltd.

Pemerintah Indonesia sendiri mengakui signifikansi dan potensi komputasi kuantum dan telah mendukung berbagai upaya riset dan pengembangan yang dilakukan oleh sejumlah universitas di dalam negeri, seperti Institute of Technology Bandung (ITB) dan Institute of Technology Sepuluh November (ITS).

Untuk memahami apa itu komputasi kuantum dan potensinya, kita harus pertama-tama memahami perbedaan antara komputasi kuantum dengan komputer klasik.

Superkomputer dan komputasi kuantum – Apa bedanya?
Kebanyakan orang awam beranggapan kekuatan komputasi terletak seberapa cepat komputer dapat bekerja. Untuk beban kerja komersial yang menangani komputasi dan basis data yang sangat besar seperti prakiraan cuaca dan pemodelan molekul, komputer desktop consumer terbaik pun tidak akan mampu menanganinya.

Di sinilah superkomputer mulai berperan. Superkomputer, seperti semua komputer klasik, beroperasi berdasarkan perhitungan data biner: satu atau nol. Ya atau tidak. On atau off. Kompleksitasnya terletak pada rangkaian informasi biner yang panjang.

Sebagai perbandingan, komputer kuantum beroperasi berdasarkan prinsip-prinsip fisika kuantum dan karena itu bergantung pada bit kuantum, atau qubit. Cara sederhana untuk memahami qubit adalah dengan menganggapnya sebagai koin Rp 500, sehingga keadaan (state) koin itu bisa berupa gambar ‘Garuda Pancasila’ atau angka ‘500’.

Sekarang, bayangkan koin itu berputar, dan saat itu terjadi, dalam arti tertentu, keadaan koin itu adalah ‘Garuda Pancasila’ dan angka ‘500’ pada saat yang bersamaan. Keadaan ini dikenal sebagai "superposisi" dari dua keadaan.

Jika ada dua koin yang saling terkait (entangled), maka kita akan memiliki empat (22) keadaan pada saat yang bersamaan. Daya komputer kuantum meningkat secara eksponensial seiring dengan jumlah qubit.

Secara teoritis, dengan 50 qubit yang saling terkait (entangled qubit) kita akan dapat mengakses lebih banyak keadaan ketimbang supercomputer. Keadaan yang dihasilkan 300 qubit yang saling terkait lebih banyak dari keadaan atom-atom di alam semesta pada saat yang bersamaan.

Tidak seperti supercomputer, komputer kuantum memperlakukan data secara non-biner dan melakukan perhitungan berdasarkan probabilitas. Penggunaan praktis komputer kuantum sebagian besar masih dalam level discovery atau penemuan, tetapi peluang komputasi kuantum untuk bisa memecahkan algoritma enkripsi terkuat yang ada saat ini membuat banyak pemerintah dan organisasi berhenti sejenak dan memikirkan secara hati-hati mengenai potensi sistem komputer kuantum ini.

Sebagai contoh, komputer konvensional akan memerlukan waktu sekitar 300 triliun tahun untuk memecahkan algoritma enkripsi 2.048-bit RSA saat ini. Tapi sebuah komputer kuantum 4.099-qubit hanya memerlukan waktu 10 detik untuk memecahkan ekripsi tersebut.

Pada November 2021, pencapaian penting pada komputer kuantum baru mencapai 127 qubits, jadi perjalanan masih panjang untuk mewujudkan komputer kuantum 4.099-qubit.

Jalan panjang mewujudkan kuantum dalam praktik nyata
Pada kenyataannya, kita membutuhkan lebih dari satu juta qubit berkualitas tinggi untuk mengkomersialkan komputasi kuantum – dikenal dengan mencapai sesuatu yang disebut “quantum practicality.” Tingkat ini terwujud ketika komputer kuantum telah mencapai kelayakan komersial dan dapat memecahkan masalah-masalah dunia nyata yang relevan.

Tantangannya terletak pada kenyataan bahwa qubit sangat rapuh. Mereka memiliki masa hidup yang sangat singkat (dalam hitungan mikrodetik), dan “noise” terkecil seperti gangguan eksternal dari medan magnet dan variasi suhu dapat menyebabkan hilangnya informasi. Berikut adalah tiga hal penting yang harus kita tangani untuk memajukan pengembangan sistem komputasi kuantum yang kompetitif.

Mengelola qubits dalam temperatur yang lebih tinggi dengan spin qubits

Sifat qubit yang rapuh mengharuskan mereka beroperasi pada suhu yang sangat dingin (20 milikelvin, atau sekitar -273 derajat Celcius). Hal ini menciptakan tantangan untuk desain materi chip itu sendiri dan kontrol elektronik yang diperlukan untuk membuatnya bekerja.

Dalam upaya mewujudkan produksi chip kuantum dalam skala besar, salah satu produsen chip, Intel bekerja sama dengan QuTech, yang menghasilkan teknologi proses spin qubit silikon yang memungkinkan pembuatan lebih dari 10.000 array dengan beberapa spin qubit silikon pada satu wafer dengan yield lebih dari 95 persen.

Spin qubit sangat mirip dengan transistor dan dibangun berbasis teknologi proses 300mm dalam fab yang sama dengan chip pelengkap metal-oxide-semiconductor (CMOS) Intel. Riset bersama ini menggambarkan bahwa qubit mungkin pada akhirnya diproduksi bersama dengan chip konvensional di fasilitas manufaktur yang sama.

Spin qubit ini jauh lebih kecil tetapi memiliki waktu koherensi yang lebih lama dan dapat berfungsi pada suhu yang lebih tinggi dari qubit superkonduktor (1 kelvin/-272,15 derajat Celcius)— ini adalah keuntungan untuk skalabilitas.

Karakteristik ini secara drastis mengurangi kompleksitas sistem yang diperlukan untuk mengoperasikan chip karena kontrol elektronik dapat diintegrasikan lebih dekat ke prosesor.

Riset ini juga menyoroti kontrol koheren individual dua qubit dengan single-qubit fidelity* hingga 99,3 persen. Berbagai kemajuan ini menandakan potensi kontrol kriogenik dari sistem kuantum masa depan dan spin qubit silikon untuk bersatu dalam satu paket terintegrasi.

Menyederhanakan desain sistem untuk mempercepat waktu setup dan meningkatkan kinerja qubit

Tantangan penting lain dalam sistem kuantum saat ini adalah penggunaan elektronik suhu kamar dan banyak kabel koaksial yang diarahkan ke qubit chip di dalam sebuah dilution refrigerator** (pendingin dilusi). Pendekatan ini tidak memperbesar jumlah qubit karena form factor, biaya, konsumsi daya, dan beban termal ke pendingin.

Sangat penting untuk mengatasi tantangan ini dan secara radikal menyederhanakan kebutuhan berupa beberapa rak peralatan dan ribuan kabel yang masuk dan keluar dari pendingin untuk mengoperasikan sebuah mesin kuantum.

Intel mengganti instrumen-instrumen berukuran besar ini dengan sebuah system-on-a-chip (SoC) yang sangat terintegrasi dan chip kontrol komputasi kuantum kriogenik pertama yang menyederhanakan desain sistem. Pendekatan ini menggunakan teknik pemrosesan sinyal canggih untuk mempercepat waktu setup, meningkatkan kinerja qubit, dan memungkinkan tim engineering untuk meningkatkan sistem kuantum secara efisien ke jumlah qubit yang lebih besar.

Pendekatan skalabel full stack untuk komputasi kuantum

Karena komputasi kuantum adalah jenis komputasi yang sama sekali baru, ia memiliki cara yang sama sekali berbeda dalam menjalankan program yang memerlukan hardware, software, dan aplikasi-aplikasi baru yang dikembangkan secara khusus untuk sistem ini.

Ini berarti bahwa komputer kuantum memerlukan semua komponen baru di semua level stack***, mulai dari qubit control processor, kontrol elektronik, hingga perangkat qubit chip dan banyak lagi. Dan Intel berusaha mengembangkan semua komponen ini untuk full stack. Tantangannya adalah menyatukan semua komponen itu, yang mirip seperti membuat koreografi tarian kuantum.

Jelas, komputer kuantum tidak dimaksudkan untuk menggantikan infrastruktur komputasi klasik. Mereka dimaksudkan untuk memperluas kemampuannya. Pengembangan komputasi kuantum yang terus berlanjut bertujuan untuk memecahkan sejumlah tantangan paling sulit di dunia, yang membingungkan komputer klasik saat ini.

Tetapi jalan untuk membangun sistem komputer kuantum kompetitif yang bekerja pada tingkat komersial yang praktis akan membutuhkan ketekunan, kesabaran, dan kemitraan.

Dalam beberapa hal, karya kami di dunia komputer klasik membuat kami secara unik sangat cocok dengan upaya ini, mengingat skala yang diperlukan untuk mengatasi berbagai tantangan penting yang dihadapi dalam pengembangan komputasi kuantum.

Kemajuan yang kami buat dengan teknologi qubit spin, kontrol kriogenik, dan pengembangan full technology stack hanyalah beberapa dari kemajuan yang dibuat oleh Intel agar komputasi kuantum sepenuhnya kompetitif dan praktis dalam waktu yang tidak terlalu lama.

# # #

*Fidelity adalah ukuran “kedekatan” antara dua keadaan kuantum (quantum states), yang menggambarkan probabilitas atau peluang satu keadaan akan lolos pengujian untuk mengidentifikasi keadaan lainnya.

**Dilution refrigerator adalah perangkat krionik (pendinginan pada temperator sangat rendah) yang memberikan pendinginan terus menerus pada temperatur hingga serendah 2 milikelvin (mK).

***Stack dalam ilmu komputer adalah satu jenis data abstrak yang berfungsi sebagai sekumpulan elemen dengan dua operasional utama yakni push yakni menambah sebuah elemen ke dalam kumpulan dan pop yakni menghapus elemen yang baru saja ditambahkan.