Oleh: Razak Zaha dengan suntingan editor FizikKini.Com
Buat pertama kalinya, Google telah menunjukkan hasil ujikaji keulungan kuantum yang dinamakan sebagai pemproses Sycamore yang dibangunkan menggunakan 54 pemproses bit kuantum. Sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal saintifik NATURE berjudul ‘Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor’ melaporkan bagaimana Sycamore yang merangkumi get logik kuantum berketepatan tinggi diuji menerusi ujikaji keulungan kuantum. Ia terdiri daripada pengiraan beberapa ujikaji pengkomputeran pilihan yang sensitif. Ujikaji ini menunjukkan pemproses Sycamore mampu melakukan pengiraan tersebut dalam tempoh hanya 200 saat.
Mengapa ianya dikatakan sebagai satu perkara yang sangat penting?
Sebagai perbandingan, Google mendakwa bahawa dengan superkomputer terpantas di dunia, pengiraan yang sama akan mengambil masa selama 10,000 tahun! Ujikaji ini menunjukkan keupayaan komputer kuantum untuk melaksanakan tugas yang tampak mustahil sekiranya dilakukan menggunakan komputer lazim (klasik). Google, dengan kerjasama NASA dan Oak Ridge National Laboratory serta beberapa agensi lain, telah menjadi syarikat pertama yang mencapai kejayaan ini.
Apakah itu pengkomputeran kuantum?
Semua yang anda lakukan pada komputer akhirnya ditukar kepada nilai digit 0 dan/atau 1 yang dipanggil sebagai bit. Setiap bit bernilai sama ada 0 atau 1. Bagi komputer kuantum, aspek asas ini telah berubah. Komputer kuantum menggunakan bit kuantum yang boleh mewakili kedua-dua nilai digit 0 dan 1 secara serentak. Konsep ini lahir daripada konsep superposisi dan fenomena keterbelitan kuantum. Sebuah komputer kuantum mempunyai keupayaan melakukan pengiraan menggunakan konsep asas mekanik kuantum iaitu superposisi dan fenomena keterbelitan kuantum.
Fenomena keterbelitan kuantum dapat menjelaskan satu keadaan yang membolehkan pengiraan oleh komputer kuantum berlaku serentak dalam beberapa keadaan (0 dan 1). Sebaliknya dalam komputer lazim (klasik), sebagai contoh, 2 bit hanya boleh menyimpan satu keadaan daripada 2 ² ( = 4) pilihan, manakala dalam komputer kuantum dengan 2 bit kuantum, semua nilai 2 ² ( = 4) keadaan boleh diwakili dalam satu keadaan pada masa yang sama. Bit kuantum yang akhirnya disukat untuk memeriksa keputusan pengiraan akan dikembangkan sama ada bernilai 1 atau 0. Pemproses Sycamore yang dibangunkan oleh Google menggunakan pemproses 53 bit kuantum yang mampu mengendalikan 2⁵³ keadaan kuantum secara serentak. Secara teorinya, 100 bit kuantum dalam komputer kuantum akan menjadi lebih berkuasa daripada semua superkomputer di planet ini jika digabungkan.
Fenomena keterbelitan kuantum pula adalah satu ciri penting yang membezakan pengkomputeran kuantum daripada komputer lazim (klasik). Fenomena ini membolehkan pasangan keadaan kuantum untuk saling berhubung. Perubahan dalam satu keadaan akan memberi kesan kepada satu keadaan yang lain. Hal ini terpakai walaupun dua bit kuantum terpisah oleh jarak yang amat jauh. Einstein menggambarkan fenomena ini sebagai tindakan sesaujana yang meremangkan.
Superposisi dan keterbelitan kuantum menjadikan pengiraan dalam komputer kuantum jauh lebih pantas berbanding dengan komputer lazim (klasik). Dalam komputer lazim (klasik), penggandaan jumlah bit boleh menggandakan kuasa pemprosesan. Tetapi dalam komputer kuantum, penggandaan bilangan bit kuantum boleh meningkatkan keupayaan pemprosesan secara berlipat kali ganda.
Sebuah perbandingan mudah adalah dengan memahami bagaimana kedua-dua jenis komputer mencari jalan yang betul dalam sebuah laluan yang bersilang (maze). Komputer lazim (klasik) akan melalui setiap laluan satu demi satu sehingga ia dapat merentasi jalan yang betul menerusi laluan yang bersilang (maze) tersebut. Sebuah komputer kuantum pula akan cuba melalui kesemua laluan secara serentak sekaligus dapat mengenalpasti laluan yang betul pada kadar yang lebih pantas.
Halangan terbesar dalam membina komputer kuantum secara praktikal adalah fenomena nyahkoherens.
Sesuatu keadaan kuantum amat rapuh disebabkan oleh gangguan persekitaran luaran. Pada bila-bila masa, gangguan (atau hingar) seperti perubahan kecil dalam getaran ataupun suhu boleh menyebabkan gangguan persekitaran dan seterusnya menggangu tingkah laku kuantum. Ini dikenali sebagai nyahkoherens. Hal ini menyebabkan pemprosesan kuantum perlu dibina dalam persekitaran terkawal, misalnya dalam sebuah bilik bersuhu sejuk. Namun, langkah ini tidak sepenuhnya menghalang daripada berlakunya kesilapan. Atas sebab inilah, walaupun dengan pemproses Sycamore baharu Google, kita masih lagi berada di dalam era NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum). Apabila pemproses kuantum sudah cukup maju, maka kita akan beralih ke era yang mana komputer kuantum dikatakan boleh beroperasi dalam sistem boleh terima rosak.
Dalam wawancara bersama Ketua Pengarah Eksekutif Google, Sundar Pichai, beliau ada menekankan kepentingan pencapaian Google.
Saintis boleh menggunakan komputer kuantum bagi merekabentuk simulasi yang berbeza-beza yang mempunyai kaedah penyelesaian bagi memahami dengan lebih baik bagaimana alam tabii berfungsi. Beberapa contoh kemungkinan yang akan dirungkai adalah seperti penemuan ubat-ubatan baharu, ramalan cuaca yang lebih baik, pengeluaran baja yang cekap, menambahbaik keupayaan bateri yang lebih baik, menyokong misi angkasa lepas, keupayaan pembelajaran mesin yang lebih maju, dan kemajuan dalam bidang kepintaran buatan.
Satu lagi kepentingan komputer kuantum yang boleh diberi perhatian adalah bidang kriptografi kuantum bagi membangunkan sistem keselamatan komunikasi dan data. Hal ini kerana teknologi terkini untuk melindungi keselamatan maklumat peribadi seperti butiran kad kredit menggunakan teknik pemfaktoran nombor perdana untuk memastikan data-data tersebut selamat. Dengan menggunakan superkomputer terpantas di dunia, pengiraan tersebut akan mengambil tempoh masa yang panjang jika dibandingkan dengan komputer kuantum.
Pada tahun 1904, Peter Shor telah membangunkan satu algoritma kuantum untuk pemfaktoran nombor perdana. Namun beliau memerlukan komputer kuantum untuk melaksanakan algoritma tersebut. Dapatan daripada hasil penyelidikan Shor telah membuatkan penyelidikan terkini dalam komputer kuantum semakin diberi perhatian kerana jika algoritma kuantum Shor berjaya direalisasikan secara fizikal, penyimpanan data sulit sedia ada akan terancam, tetapi pada masa yang sama berkeupayaan untuk memperkenalkan teknik kriptografi baharu yang lebih selamat.
Jadi, adakah Google berupaya untuk memacu dunia ke satu masa hadapan yang penuh dengan segala kemungkinan?
Jawapannya Ya dan Tidak.
Pertama, IBM telah menerbitkan hujah balas yang mendakwa tugas yang dilakukan oleh pemproses kuantum boleh dilakukan oleh superkomputer Summit (atau OLCF) yang dibangunkan oleh IBM dalam tempoh masa 2.5 hari, dengan anggaran kes terburuk, mencabar tuntutan “10,000 tahun” yang cuba dilaksanakan oleh Google. Jika benar, ia bermakna bahawa komputer lazim (klasik) boleh melakukan tugas dalam tempoh masa yang munasabah, maka tuntutan Google tentang keulungan kuantum adalah tidak berasas jika menurut takrifan awal komputer kuantum yang boleh menjalankan pengiraan yang praktikal tetapi mustahil untuk dilakukan oleh komputer lazim (klasik). Hal yang demikian Google telah mencabar IBM untuk menjalankan pengiraan yang sama dan menyerahkan bukti untuk tuntutan tersebut. IBM juga menyatakan kebimbangan tentang keulungan kuantum kerana istilah ini agak mengelirukan. Secara realitinya, ia menunjukkan bahawa komputer lazim (klasik) adalah lebih rendah tahapnya, jika kedua-dua komputer kuantum dan komputer lazim (klasik) bekerja secara bersebelahan, kerana setiap satunya mempunyai kelebihan yang tersendiri.
Hujah kedua adalah bahawa pencapaian Google hanya terbatas kepada pengiraan-pengiraan tertentu. Google telah mengaturkan pemproses kuantum untuk menjalankan pengiraan yang melibatkan penggunaan nombor rawak yang tidak mungkin praktikal pada komputer lazim (klasik). Walaupun Google mendakwa komputer ini diaturkan sepenuhnya untuk melakukan pengiraan algoritma kuantum bagi tujuan umum, ia tidak bermakna bahawa ia boleh melaksanakan semua jenis pengiraan yang boleh dilakukan oleh komputer lazim (klasik). Google tidak mendakwa bahawa pemproses mereka boleh digunakan untuk kegunaan dunia sebenar. Malahan, ia sebenarnya dibangunkan untuk mencapai satu pencapaian penting dan membuka pintu untuk penyelidikan masa hadapan.
Google bukanlah satu-satunya syarikat yang bekerja ke arah memajukan komputer kuantum. Malah, syarikat besar seperti IBM dan D-Wave Systems Inc. sudah mendakwa mempunyai komputer kuantum yang boleh dicapai oleh para penyelidik melalui simpanan awan dan membolehkan pengguna melakukan pelbagai tugasan. Namun, tiada pihak telah membuktikan bahawa mereka telah berjaya mencapai tahap keulungan kuantum. Walau bagaimanapun, Google mendakwa telah mencapainya dalam beberapa jenis kegunaan yang khusus.
Ketua Pengarah Eksekutif Google, Sundar Pichai, cuba membandingkan perkara ini dengan peristiwa bersejarah penerbangan pertama oleh adik-beradik Wright pada tahun 1903. Ia bukan objek pertama untuk terbang dan ia hanya mampu terbang selama 12 saat. Walaupun percubaan itu tampak seperti satu kegunaan yang tidak praktikal, tetapi ia menunjukkan dunia bahawa pesawat yang lebih berat daripada udara boleh terbang dan bergerak. Dan rekacipta adik-beradik Wright telah berkembang maju menjadi pesawat moden pada hari ini.
Pemproses Sycamore Google boleh diumpamakan dengan kisah penerbangan adik- beradik Wright itu. Ia menunjukkan kepada kita apa yang mampu dicapai menggunakan komputer kuantum, tetapi kita memerlukan satu tempoh masa yang agak panjang lagi sebelum kita boleh berada dalam fasa komputer kuantum sebenar yang boleh digunakan untuk menyelesaikan masalah dunia sebenar.
Rujukan
1. https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html?m=1
2. https://www.nasa.gov/feature/ames/quantum-supremacy
3. https://hackernoon.com/quantum-computing-explained-a114999299ca
4. https://www.technologyreview.com/s/612844/what-is-quantum-computing/
5. https://www.ibm.com/quantum-computing/learn/what-is-quantum-computing/
6. https://www-technologyreview-com.cdn.ampproject.org/c/s/www.technologyreview.com/s/614608/google-ceo-quantum-supremacy-interview-with-sundar-pichai/amp/
7. https://youtu.be/JhHMJCUmq28
8. https://soundcloud.com/mequanics/meet-the-mequanics-e53-quantum-supremacy-a-montenaro-m-bremner-r-mann
9. https://www.scottaaronson.com/blog/
10. https://www.quantamagazine.org/john-preskill-explains-quantum-supremacy-20191002/
Daftar Istilah
1. Keulungan kuantum – Quantum supremacy
2. Bit kuantum – Quantum bit (qubit)
3. Superposisi – Superposition
4. Keterbelitan kuantum – Quantum entanglement
5. Nyahkoherens – Decoherence
6. Kepintaran buatan – Artificial Inteligence
7. Sistem boleh terima rosak – Fault-tolerant systems
8. Tindakan sesaujana yang meremangkan – Spooky action at a distance
9. Get logik kuantum – Quantum logic gate
10. Nombor perdana – Prime numbers
11. Nombor rawak – Random numbers
12. Simpanan awan – Cloud storage
13. Pemproses – Processor
