Teknologi Kuantum dan Komputer Masa Depan

Kecepatan komputer mengolah informasi sangat ditentukan oleh prosesornya. Dalam teknologi digital silikon (konvensional), untuk meningkatkan kecepatan prosesor kerapatan transistor dalam cip prosesor harus ditingkatkan. 

Upaya untuk meningkatkan kerapatan transistor ini tidak mungkin dilakukan terus menerus tanpa batas karena suatu saat pasti akan mencapai maksimum, yaitu ketika ukuran transistor sudah tidak dapat diperkecil lagi. Pada keadaan ini perlu ditemukan teknologi baru, misalnya teknologi kuantum, untuk meningkatkan kecepatan prosesor.Istilah kuantum (quantum) belakangan ini mulai populer dan sering digunakan dalam berbagai konsep yang memperkenalkan suatu paradigma baru, misalnya quantum learning, quantum teaching, quantum business, dan sebagainya. 


Kiranya tidak berlebihan jika dikatakan bahwa istilah kuantum pertama kali diperkenalkan oleh Max Planck, seorang fisikawan Jerman, dalam teori kuantum cahaya untuk menjelaskan radiasi benda hitam. Secara tak langsung teori inilah yang melahirkan fisika kuantum yang mempunyai efek dominan pada sistem dalam skala atomik.

Sejalan dengan perkembangan ilmu fisika dan informasi, belakangan ini telah mulai dikembangkan komputasi kuantum yang menggunakan prinsip-prinsip fisika kuantum. Komputasi kuantum ini nantinya diharapkan dapat melahirkan teknologi kuantum yang memungkinkan terobosan teknologi untuk mewujudkan komputer masa depan (komputer kuantum) yang bekerja dengan cara yang sama sekali berbeda dengan komputer konvensional yang dikenal saat ini.

Apa yang membedakan komputer kuantum dari komputer konvensional (digital)? Kita dapat mulai dengan mengamati secuil satuan informasi yang disebut satu bit, yaitu satu sistem fisis yang dapat dinyatakan dalam satu di antara dua keadaan (dua nilai logik) yang berbeda: ya atau tidak, benar atau salah, 0 atau 1. Satu bit informasi dapat diberikan oleh dua keadaan polarisasi cahaya atau dua keadaan elektronik suatu atom. Namun, jika satu atom dipilih untuk merepresentasikan satu bit informasi maka menurut mekanika kuantum di samping kedua keadaan elektronik yang berbeda, atom tersebut dapat pula berada dalam keadaan superposisi (paduan) dua keadaan tersebut. Atom tersebut dapat berada pada keadaan 0 dan 1 secara serentak. 

Secara umum, satu sistem kuantum dengan dua keadaan atau quantum bit (qubit) dapat dibuat berada dalam suatu keadaan superposisi dari kedua keadaan logiknya.

Perhatikan perbandingan berikut. Register konvensional tiga bit dalam satu saat hanya dapat menyimpan satu dari 8 kemungkinan keadaan yang berbeda seperti: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, dan 111. Sebaliknya, suatu register kuantum tiga qubit dalam satu saat dapat menyimpan 8 kemungkinan keadaan yang berbeda tersebut secara serentak sebagai suatu superposisi kuantum. Jika jumlah qubit terus ditambahkan pada register maka kapasitas penyimpanan keadaan (informasi) dalam register akan meningkat secara eksponensial, yaitu secara serentak 3 qubit dapat menyimpan 8 keadaan berbeda, 4 qubit dapat menyimpan 16 keadaan berbeda, dan seterusnya sehingga secara umum N qubit dapat menyimpan sejumlah 2N keadaan berbeda.

Sekali suatu register disiapkan dalam suatu superposisi dari keadaan-keadaan yang berbeda, operasi-operasi pada semua keadaan itu dapat dilakukan secara bersamaan. Sebagai contoh, jika qubit-qubit tersimpan dalam atom-atom, pulsa laser yang diatur secara tepat dapat mempengaruhi keadaan-keadaan elektronik atom dan mengubah superposisi awal menjadi superposisi lain yang berbeda. Selama perubahan tersebut setiap keadaan dalam superposisi awal terpengaruh sehingga dapat dihasilkan suatu komputasi masif secara paralel dalam satu keping hardware kuantum.

Suatu komputer kuantum dalam satu langkah komputasi dapat melakukan operasi matematis pada 2N input berlainan yang tersimpan dalam superposisi koheren N qubit. Untuk melakukan hal yang sama, suatu komputer konvensional harus mengulang operasi sejumlah 2N kali atau harus digunakan 2N prosesor konvensional yang bekerja bersamaan. Komputer kuantum menawarkan peningkatan yang sangat luar biasa dalam penggunaan dua sumber daya komputasi utama, yaitu waktu dan memori.

Tahap awal menuju gerbang logika kuantum dan jaringan kuantum sederhana adalah usaha mengontrol fenomena kuantum dalam suatu eksperimen. George Johnson dari New York Times melaporkan bahwa di Los Alamos, USA, Dr Raymond Laflamme dan Dr Emanuel Knill sedang melakukan eksperimen yang mengaplikasikan komputasi kuantum dengan menggunakan NMR (nuclear magnetic resonance) yang sebelumnya sering digunakan untuk memetakan struktur molekul berdasarkan respons atom-atom penyusunnya terhadap gelombang elektromagnetik. Teknologi serupa ini, magnetic resonance imaging (MRI) sudah cukup lama dan cukup banyak digunakan di rumah sakit, yaitu untuk melakukan scanning pada jaringan tubuh manusia.

Dalam eksperimen yang telah dilakukan, lima qubit disimpan dalam spin-spin inti lima atom yang menyusun suatu molekul yang disebut asam kroton (crotonic acid) yang disintesis secara khusus oleh ahli kimia Los Alamos, Dr Rudy Martinez. Spin merupakan besaran intrinsik dalam fisika kuantum, secara analog digambarkan sebagai efek yang timbul dari gerak putar seperti gasing yang dapat berinteraksi dengan medan magnet. Jika gerak putar searah jarum jam dinyatakan sebagai keadaan spin down atau 0, maka gerak putar dalam arah berlawanan jarum jam dinyatakan sebagai keadaan spin up atau 1.

Mula-mula suatu sampel asam kroton yang berisi sekitar 1021 (satu milyar trilyun) molekul diletakkan di dalam inti spektrometer NMR. Sejumlah nitrogen dan helium cair digunakan untuk mendinginkan kumparan superkonduktor NMR untuk menghasilkan medan magnet yang sangat kuat.

Pada awal eksperimen, spin inti-inti atom dalam molekul asam kroton berorientasi ke segala arah secara acak. Melalui keyboard komputer yang terhubung ke NMR, peneliti meratakan arah spin dengan medan elektromagnetik, hanya saja hasilnya tidak sepenuhnya rapi.

Medan magnet yang kuat dalam NMR hanya dapat menyebabkan sebagian kecil, sekitar 1013 (sepuluh trilyun) molekul, mempunyai orientasi spin inti yang dapat dinyatakan sebagai 11111. Molekul-molekul homogin inilah yang digunakan dalam komputasi kuantum. Hal ini dapat dilakukan sebab setiap spin dari kelima inti dalam molekul tersebut beresonansi pada frekuensi yang berbeda.

Dengan menggunakan pulsa gelombang radio peneliti dapat memilih spin inti tertentu, misalnya inti kedua, dan menggoncangkannya serupa bel sehingga semua spin inti kedua dari sekitar 10 trilyun molekul tersebut berdenting secara sinkron. Jika pulsa gelombang radio diatur dalam selang waktu yang tepat, spin inti-inti kedua dapat diputar ke arah berlawanan, disimbolkan sebagai keadaan 0. Pulsa lain dengan karakteristik sama akan mengembalikan orientasi spin inti-inti kedua ke arah semula atau keadaan 1. Sebaliknya, pulsa dengan selang waktu setengah kali akan menyebabkan spin inti-inti tersebut berada dalam superposisi kuantum: secara bersamaan pada keadaan 1 dan 0.

Yang digambarkan di atas tak lain daripada suatu saklar kuantum. Suatu molekul dapat digunakan untuk melakukan perhitungan sebab spin inti-inti atomnya, seperti saklar-saklar kecil di dalam cip komputer, dapat berinteraksi satu terhadap yang lain: suatu pulsa gelombang radio akan menyebabkan spin inti tertentu berubah dari keadaan 1 ke 0 atau sebaliknya. Di dalam komputer digital susunan demikian ini dikenal sebagai gerbang logika, komponen dasar untuk suatu komputasi. Serangkaian gerbang logika memungkinkan suatu komputasi dapat dilakukan.

Berbekal keberhasilan dan pengetahuan yang diperoleh dari penelitian sebelumnya, kelompok peneliti di Los Alamos melakukan penelitian komputasi kuantum dengan menggunakan 10 qubit. Dalam penelitian ini mereka melakukan koreksi kesalahan kuantum, salah satu komponen yang sangat penting bagi perkembangan teknologi kuantum.

Dapatkah komputer kuantum direalisasikan dalam waktu dekat merupakan suatu pertanyaan yang sulit dijawab. Lahirnya teknologi baru selalu membawa perubahan yang perlu dicermati dan diantisipasi. Yang pasti, teknologi kuantum untuk mewujudkan komputer kuantum akan membawa paradigma baru dalam dunia komputer, baik dari segi hardware maupun software (algoritma).

Oleh : Dr JV Djoko Wirjawan, Kepala Lembaga Penelitian UWM