Pengiraan Kelebihan Kuantum Berasaskan Foton: Pencapaian Ahli Fizik China

Oleh: Ahmad Hazazi
Editor FizikKini

Pada hujung tahun 2019 yang lalu, sekumpulan saintis dalam bidang pengkomputeran kuantum di Google mendakwa bahawa mereka berjaya menghasilkan komputer kuantum. Komputer kuantum tersebut menggunakan pemproses Sycamore yang berasaskan qubit superkonduktor. Pemproses ini didakwa boleh menyelesaikan masalah pengiraan dengan satu bilion kali lebih pantas berbanding superkomputer lazim. Mereka mendakwa itulah pencapaian yang disitilahkan sebagai ‘keulungan kuantum’, satu istilah yang diusulkan oleh fizikawan John Preskill. Kini, istilah ini lebih mesra dengan istilah ‘kelebihan kuantum’. Pada masa yang sama, sekumpulan saintis di IBM telah menerbitkan hujah balas dengan mendakwa bahawa tugas pengiraan yang dilakukan oleh pemproses Sycamore hanya menunjukkan peningkatan pengiraan kepada faktor 1000. Pengiraan tersebut juga boleh dilakukan oleh superkomputer OLCF yang dibangunkan oleh IBM sendiri. Namun begitu, mereka juga juga akur bahawa pencapaian oleh Google ini amat mengkagumkan. Mutakhir ini, penyelidikan dalam bidang pengkomputeran kuantum sedang mengalami perkembangan terbaharu. Pada awal Disember tahun 2020, pencarian untuk mencapai ‘keulungan kuantum’ telah menjadi tumpuan utama dalam dunia sains khususnya dalam bidang fizik dan sains komputer.

Pengiraan Kelebihan Kuantum Berasaskan Foton

Sekumpulan fizikawan dari Universiti Sains dan Teknologi Cina, di Hefei, yang diketuai oleh Jian-Wei Pan dan Chao-Yang Lu, telah mengumumkan bahawa kumpulan mereka telah berjaya mencapai pengiraan kuantum dengan menggunakan komputer kuantum yang dinamai sebagai 𝐉𝐢𝐮𝐳𝐡𝐚𝐧𝐠 (diambil bersempena nama manuskrip matematik Cina kuno). Pengiraan kuantum ini adalah berasaskan kaedah Pengsampelan Boson Gaussan yang diusulkan oleh Scott Aaronson dan Alex Arkhipov. Kumpulan ini mendakwa bahawa proses pengiraan boleh mengambil tempoh 100 trilion lebih pantas berbanding superkomputer lazim. Ringkasnya, ujikaji ini adalah berasaskan zarah foton, yang mana mereka telah membina litar kuantum dengan menggunakan unsur optik linear berbanding superkonduktor. Kaedah pengsampelan boson digunakan untuk menjalankan pengiraan output dari litar yang mempunyai input dan output berganda. Litar tersebut mempunyai 100 input dan 100 output, dan juga mengandungi 300 pembelah alur dan 75 cermin yang disusun secara rawak. Sistem ini disambungkan sepenuhnya sehingga foton di mana-mana port input dapat terpancar dari mana-mana port output. Pancaran foton tunggal akan melalui alur dalam litar yang berada dalam keadaan selari dan seterusnya pada masa yang sama menghentam pembelah alur. Oleh kerana foton bersifat boson, jika ada dua foton menghentam satu pembelah alur pada masa yang sama, maka kedua-dua foton tersebut akan melalui lintasan yang sama. Ciri ini amat mustahil dicapai oleh komputer lazim untuk menjalankan pengiraan bagi menghasilkan output daripada litar walaupun dengan bilangan input foton dan saluran output yang sederhana. Walaupun pengsampelan boson sukar dilakukan kerana ia memerlukan kaedah yang canggih  (state-of-art) dalam optik kuantum, ia mestilah lebih baik daripada superkomputer yang berkuasa tinggi.

Secara teknikalnya, pensampelan Boson Gaussan juga boleh difikirkan sebagai suatu matriks yang boleh membuat transformasi input foton. Pengiraan output adalah melibatkan menyelesaikan “pengekal” bagi satu matriks yang mana ianya lebih sukar berbanding mengira “penentu” suatu matriks (sila rujuk pada rujukan no. 6). Pengsampelan Boson dapat menentukan “pengekal” matriks tersebut dengan menghantar sekumpulan zarah tunggal foton ke litar kuantum, kemudian menyukat outputnya. Bilangan foton adalah kurang berbanding bilangan output dari litar. Misalnya, tiga input foton boleh dihantar kepada enam mod output litar. Sama ada skala pengiraan yang telah dicapai ini boleh ditingkatkan lagi atau tidak ianya  masih lagi menjadi persoalan penyelidikan. Secara umumnya kaedah pengsampelan boson yang diusulkan oleh Aaronson dan Arkhipov itu, terutamanya bagi kes jumlah boson yang banyak, menunjukkan bahawa pengiraan yang kompleks dan lama mustahil boleh diselesaikan oleh superkomputer lazim.