Apa itu QPU (unit pemrosesan quantum)?

Karena mengandung bagian quantum dari komputer quantum, QPU dapat digunakan untuk membantu memecahkan masalah menantang yang dihadapi umat manusia yang berpotensi berdampak pada perubahan iklim, pengembangan farmasi, dan kecerdasan buatan (AI).

Dengan cara yang sama bagaimana unit pemrosesan pusat (CPU) dapat dianggap sebagai “otak komputer” dalam komputasi klasik, unit pemrosesan quantum berfungsi seperti “otak” dari sistem komputasi quantum. Sama seperti CPU yang lebih dari sekadar chip dan mencakup beberapa komponen lain, QPU berisi qubit komputasi fisik serta elektronik kontrol dan perangkat keras komputasi klasik yang digunakan untuk menyimpan instruksi dalam memori, memperkuat dan mengelola sinyal input dan output dan memisahkan sinyal dari ketidakakuratan. 

QPU adalah komponen inti dari setiap komputer quantum dan chip quantum adalah komponen inti dari QPU. Di IBM, chip quantum adalah semikonduktor berlapis yang difabrikasi dengan komponen superkonduktor. Komponen ini adalah qubit fisik yang digunakan untuk melakukan perhitungan quantum. Chip ini selanjutnya dibagi menjadi beberapa lapisan yang dilengkapi dengan qubit, resonator pembacaan, dan beberapa lapisan sirkuit untuk input dan output. 

QPU berisi chip quantum yang ukurannya serupa dengan chip komputer biasa, dikenal juga sebagai bidang data quantum, terdiri dari qubit fisik yang ditata dalam berbagai konfigurasi dan struktur untuk menahannya di tempatnya. Chip disimpan pada suhu dingin mendekati nol mutlak dalam lemari es pengenceran.

QPU juga mencakup elektronik kontrol dan perangkat keras komputasi klasik yang diperlukan untuk input dan output. Sebagian komponen ini berada di dalam lemari pendingin pengenceran, sementara komponen lainnya berada di rak pada suhu ruang di samping lemari pendingin pengenceran.

QPU unik di antara unit prosesor komputer. Tidak seperti CPU, prosesor quantum memanfaatkan fisika quantum untuk menyimpan dan memproses data secara berbeda. CPU klasik menggunakan bit biner untuk menyimpan data sebagai 0 atau 1.

Qubit dapat menyimpan informasi biner dalam nol dan satu, tetapi mereka juga dapat menyimpan superposisi, yang berarti mereka menyimpan kombinasi khusus dari 0 dan 1. QPU juga memanfaatkan beberapa prinsip quantum utama lainnya yang memungkinkan mereka memproses informasi dengan cara yang sulit untuk ditiru komputer klasik.

Menunjukkan kemajuan generasi dalam ilmu komputer, QPU dirancang untuk memproses algoritma quantum bahkan lebih baik daripada superkomputer yang paling kuat sekalipun. Dioptimalkan untuk perhitungan quantum skala besar, QPU tidak dimaksudkan untuk menggantikan CPU. Sebaliknya, QPU sedang diintegrasikan ke dalam sistem komputasi berkinerja tinggi (HPC) bersama CPU dan unit pemrosesan grafis (GPU). 

Dalam superkomputer yang berpusat pada quantum, setiap jenis prosesor memiliki fungsi berbeda dan digunakan untuk memproses berbagai jenis perhitungan dengan ekosistem:

• CPU: Unit pemrosesan pusat (CPU) memproses input secara berurutan, melakukan tugas secara linier dan paling cocok untuk operasi kontrol tingkat tinggi, seperti mengelola data di berbagai komponen sistem.

• GPU: Unit pemrosesan grafis (GPU) unggul dalam pemrosesan paralel operasi dalam jumlah besar secara bersamaan. GPU berpotensi digunakan dalam sistem quantum untuk membebaskan sejumlah beban kerja pemrosesan dari QPU.

• NPU: Unit pemrosesan saraf (NPU) meniru fungsi otak manusia dan biasanya digunakan untuk tugas-tugas kompleks yang melibatkan jenis komputasi tertentu yang digunakan dalam machine learning (ML) dan artificial intelligence (AI).

• QPU: Unit pemrosesan quantum (QPU) memproses informasi dengan menggunakan qubit, bukan bit biner, dan dirancang untuk menjalankan algoritma quantum yang kompleks. QPU paling baik digunakan untuk jenis masalah tertentu yang sangat rumit dan banyak algoritma quantum yang menjanjikan saat ini memberikan solusi probabilistik, bukan jawaban yang tepat.

Hanya dianggap sebagai teori pada abad ke-20, kemajuan terbaru dalam teknologi quantum telah menyebabkan lonjakan pengembangan QPU. Kini IBM mendorong batas ilmu komputer untuk mengembangkan QPU yang layak, yang mampu mencapai keunggulan quantum—kemampuan untuk mengungguli semua metode superkomputer klasik untuk memecahkan masalah tertentu. Pengembang di IBM memimpin di bidang ini dengan menghadirkan QPU dan perangkat keras quantum dengan utilitas quantum— kemampuan untuk memberikan output akurat yang andal ke sirkuit quantum di luar jangkauan simulasi klasik brute-force. 

Komputasi quantum adalah teknologi baru yang memanfaatkan kekuatan mekanika quantum untuk memecahkan masalah yang terlalu kompleks bahkan untuk superkomputer yang paling kuat sekalipun. Tugas-tugas seperti memfaktorkan bilangan prima besar, yang mungkin memakan waktu ratusan ribu tahun bagi komputer klasik, secara teoretis dapat diselesaikan dalam hitungan menit oleh komputer quantum yang cukup kuat. 

Komputer quantum memproses informasi secara berbeda dari komputer klasik. Tidak seperti komputer klasik yang harus menghitung setiap langkah perhitungan rumit dengan aturan logika, sirkuit quantum yang terbuat dari qubit dapat memproses banyak entri kumpulan data secara bersamaan dengan operasi quantum, memberikan cara baru untuk mengatasi masalah tertentu dan berpotensi meningkatkan efisiensi dengan banyak urutan besarnya. 

Komputasi klasik: 

• Digunakan oleh komputer dan perangkat serbaguna yang umum
• Menyimpan informasi dalam bit dengan sejumlah kemungkinan status, 0 atau 1
• Memproses data secara logis dan berurutan

Komputasi quantum:

• Digunakan oleh perangkat keras quantum berbasis mekanika quantum khusus dan eksperimental
• Menyimpan informasi dalam qubit sebagai 0, 1, atau superposisi 0 dan 1
• Memproses data dengan logika quantum pada instans paralel, mengandalkan keterkaitan dan interferensi

Prosesor quantum tidak melakukan persamaan matematika dengan cara yang sama seperti yang dilakukan komputer klasik. Tidak seperti komputer klasik yang harus menghitung setiap langkah perhitungan rumit dengan aturan logika, sirkuit quantum yang dibuat dari qubit memproses banyak entri kumpulan data secara bersamaan dengan operasi, memberikan cara baru untuk mengatasi masalah tertentu dan berpotensi meningkatkan efisiensi dengan banyak tingkatan besar.

Komputer tradisional menggunakan transistor untuk menyimpan dan memproses data dalam kode biner, sedangkan QPU menggunakan qubit. IBM® QPU menggunakan qubit superkonduktor solid-state untuk mengodekan data sebagai 0, 1, atau superposisi 0 dan 1. Seiring dengan bertambahnya jumlah qubit, setiap kombinasi yang mungkin dari semua nilai qubit juga dapat disimpan dalam superposisi. Dalam posisi ini, qubit tertentu mungkin menjadi terkait, dalam hal ini nilai-nilai mereka menjadi tergantung pada qubit lain, dan mereka tidak lagi dapat dianggap berperilaku secara independen. Mengukur satu qubit yang terkait secara instan memberikan informasi tentang keadaan qubit lainnya. Keterkaitan adalah alat yang berharga untuk menjalankan algoritma quantum.

Pada akhir perhitungan quantum, data dikonversi oleh QPU dan perangkat keras pendukung menjadi biner, dan nilai 0 atau 1 akan diukur pada setiap qubit dengan probabilitas yang sesuai dengan kontribusinya terhadap superposisi. 

Teknologi quantum dapat menggunakan partikel aktual yang dikenal sebagai qubit molekuler atau perangkat keras yang meniru perilaku partikel (seperti qubit superkonduktor) untuk melakukan perhitungan dengan cara yang tidak dapat dilakukan bit biner, diaktifkan oleh empat prinsip utama yang hanya ditemukan dalam sistem quantum. 

1. Superposisi: Superposisi adalah keadaan di mana partikel atau sistem quantum dapat mewakili tidak hanya satu nilai, tetapi juga kombinasi dari beberapa nilai yang mungkin. 
2. Keterkaitan: Keterkaitan adalah proses di mana dua partikel quantum berkorelasi lebih kuat daripada yang bisa dicapai oleh probabilitas biasa.
3. Dekoherensi: Dekoherensi adalah proses di mana partikel dan sistem quantum dapat meluruh, runtuh, atau berubah, dikonversi menjadi keadaan tunggal yang dapat diukur oleh fisika klasik.  
4. Interferensi: Interferensi adalah fenomena di mana keadaan quantum yang terkait dapat berinteraksi dan menghasilkan probabilitas yang lebih besar dan lebih kecil.

Umumnya, qubit dibuat dengan memanipulasi dan mengukur partikel quantum (fondasi terkecil yang diketahui dari alam semesta fisik, seperti foton, elektron, ion yang terperangkap, dan atom) atau dengan merekayasa sistem yang meniru semua partikel ini.

• Qubit superkonduktor: Terbuat dari bahan superkonduktor yang beroperasi pada suhu rendah, qubit ini disukai karena kecepatannya dalam melakukan komputasi dan kontrol yang disempurnakan. 

• Qubit ion yang terperangkap: Ion yang terperangkap juga dapat digunakan sebagai qubit dan dicatat untuk waktu koherensi yang panjang dan pengukuran dengan ketelitian tinggi. Ion adalah atom dengan muatan listrik.

• Titik quantum: Titik quantum adalah semikonduktor kecil yang menangkap elektron tunggal dan menggunakannya sebagai qubit, menawarkan potensi yang menjanjikan untuk skalabilitas dan kompatibilitas dengan teknologi semikonduktor yang ada. 

• Foton: Foton adalah partikel cahaya individual yang digunakan untuk mengirim informasi quantum melintasi jarak jauh melalui kabel serat optik dan saat ini digunakan dalam komunikasi quantum dan kriptografi quantum. 

• Atom netral: Atom netral biasa yang diisi dengan laser sangat cocok untuk penskalaan dan melakukan operasi.

Jenis qubit tertentu lebih cocok untuk tugas tertentu, meskipun semua qubit yang diketahui masih sangat sensitif. QPU yang digunakan dalam komputer quantum fungsional memerlukan perangkat keras dan perangkat lunak pendukung yang signifikan untuk mempertahankan kalibrasi yang tepat dan menangani kebisingan eksternal. Solusi perangkat lunak seperti tumpukan perangkat lunak Qiskit dari IBM memiliki fitur alat yang digunakan untuk mengatur seluruh perangkat keras quantum dan klasik dan melakukan penanganan kesalahan quantum yang diperlukan untuk membantu menghilangkan pembacaan yang tidak akurat melalui otomatisasi.

Sementara chip di dalam QPU berukuran hampir sama dengan chip pada CPU atau GPU biasa, sistem komputasi quantum mungkin berukuran sebesar sedan empat pintu. Sebagian besar massa ekstra ini berasal dari sistem kriogenik dan lemari es yang harus mendinginkan qubit ke suhu yang lebih dingin dari luar angkasa untuk mempertahankan koherensi. Massa ini juga mencakup komponen lainnya yang digunakan untuk mengirim dan menerapkan instruksi dan mengembalikan output, yang dapat disimpan pada suhu kamar.  

Komputer quantum yang digerakkan oleh QPU unggul dalam memecahkan masalah kompleks tertentu, dengan potensi untuk mempercepat pemrosesan kumpulan data berskala besar. Dari pengembangan obat baru dan melakukan machine learning (ML) dalam cara baru hingga optimasi rantai pasokan dan melakukan pemodelan deret waktu pada data iklim yang kompleks, komputasi quantum mungkin memegang kunci terobosan di banyak industri penting.

QPU juga akan digunakan dalam superkomputer yang berpusat pada quantum untuk memecahkan masalah paling rumit dan menantang yang dihadapi umat manusia saat ini di bidang-bidang berikut:

• Obat-obatan: Komputer quantum mampu menyimulasikan perilaku molekuler dan reaksi biokimia dapat secara besar-besaran mempercepat riset dan pengembangan obat-obatan baru yang menyelamatkan jiwa dan perawatan medis. 

• Kimia: Sebagaimana komputer quantum dapat memengaruhi riset medis, mereka juga dapat memberikan solusi yang belum ditemukan untuk mengurangi produk sampingan kimia berbahaya atau merusak. Komputasi quantum dapat menghasilkan katalis lebih baik yang memungkinkan alternatif petrokimia atau proses yang lebih baik melakukan penguraian karbon yang diperlukan dalam memerangi emisi yang mengancam iklim. 

• Kecerdasan buatan dan machine learning: Ketika minat dan investasi dalam AI dan bidang terkait seperti machine learning meningkat, para peneliti mendorong model AI ke kemampuan ekstrem baru, menguji batas perangkat keras yang ada dan menuntut konsumsi energi yang luar biasa besar. Ada bukti bahwa beberapa algoritma quantum mungkin dapat melihat kumpulan data dengan cara baru, meningkatkan kecepatan beberapa masalah machine learning.

• Ilmu material: Banyak masalah ilmu material yang memiliki sifat bawaan quantum dan percepatan quantum di bidang ini berpotensi untuk mendapatkan manfaat dari pemahaman mendasar kita tentang materi hingga masalah industri dalam penyimpanan energi, tenaga surya, dan lainnya.

• Optimasi: Pengoptimalan sumber daya yang efisien menawarkan nilai bagi industri tertentu; namun, seiring dengan semakin rumitnya logistik, pengoptimalan menjadi semakin sulit dilakukan. Komputer quantum tidak mengeksplorasi setiap solusi secara paralel—setidaknya, tidak dalam cara yang berguna untuk pengoptimalan. Tetapi itu tidak berarti bahwa mereka tidak dapat memberikan solusi baru yang lebih baik daripada model yang ada. Riset baru bermunculan yang menunjukkan bagaimana dan di mana quantum dapat memberikan nilai untuk pengoptimalan dan kapan waktu yang tepat. Faktanya, kita sudah mengetahui bahwa beberapa algoritma pendekatan quantum berjalan secara efisien—dalam waktu polinomial—memberikan solusi yang 80% optimal.