Apa itu superkomputer quantum-sentris?

Superkomputer yang berpusat pada quantum adalah generasi berikutnya dari komputer quantum dengan superkomputer klasik yang menggunakan algoritma mitigasi kesalahan dan koreksi kesalahan untuk memberikan hasil dalam waktu proses yang praktis.

Dalam era komputasi quantum, superkomputasi quantum diprediksi akan membantu para peneliti membuat terobosan besar di bidang ilmu material, machine learning, AI generatif, fisika energi tinggi, dan banyak lagi, yang berpotensi mendahului sistem quantum penuh skala besar.

Superkomputer yang sepenuhnya berpusat pada quantum menggunakan middleware canggih untuk mengintegrasikan sirkuit quantum dengan sumber daya komputasi klasik. Superkomputer yang berpusat pada quantum didasarkan pada arsitektur IBM Quantum System Two—fondasi superkomputasi berpusat pada quantum— menggabungkan teknologi quantum dengan superkomputer tradisional untuk melengkapi dan meningkatkan kinerja kedua elemen. 

Pada tahun 1994, ahli matematika MIT, Peter Shor, menemukan sebuah algoritma yang dapat membagi bilangan besar menjadi faktor-faktor prima yang jauh lebih cepat daripada algoritma klasik terbaik menggunakan komputer quantum hipotetis. Dua tahun kemudian, Lov Grover menemukan algoritma quantum yang dapat mencari basis data lebih cepat daripada algoritma pencarian klasik. Penemuan ini sangat mempercepat minat dalam komputasi quantum. 

Shor dan Grover membuktikan, setidaknya secara teoretis, bahwa komputer quantum yang berguna dapat memproses beban kerja kompleks tertentu lebih cepat daripada metode klasik—ratusan ribu tahun lebih cepat. Bahkan superkomputer paling canggih di dunia, seperti yang digunakan di pusat data dan universitas papan atas, sama sekali tidak dapat memproses alur kerja quantum besar dengan cukup cepat. 

Tidak lagi teoretis, prosesor quantum seperti IBM QUANTUM Heron telah membuktikan kelayakan komputasi quantum. Namun, komputer quantum saat ini dibatasi oleh hambatan seperti jumlah qubit yang dapat mereka proses dan kesalahan bawaan perangkat keras quantum.

Superkomputer yang berpusat pada quantum menggabungkan kekuatan komputasi quantum dan klasik, dengan menggunakan sifat unik qubit untuk melakukan perhitungan yang tidak layak untuk sistem klasik. Pendekatan ini bertujuan untuk mengatasi keterbatasan komputasi berkinerja tinggi klasik dengan memperkenalkan komputer quantum ke dalam alur kerja yang ada, sehingga meningkatkan efisiensi komputasi dan kemampuan kedua jenis sistem.

Berikut ini adalah beberapa perbedaan utama antara HPC dan superkomputasi yang berpusat pada quantum:

HPC tradisional:

• Dibangun di atas arsitektur komputer klasik
• Dibatasi oleh pemrosesan biner dan skalabilitas linier

Superkomputasi quantum:

• Termasuk komputer quantum untuk menggunakan sumber daya quantum dan klasik dalam beban kerja yang dipecah
• Dioptimalkan untuk mengatur pekerjaan di seluruh komputer quantum dan klaster komputasi HPC di pusat data yang sama atau di cloud
• Menawarkan percepatan drastis dan daya pemrosesan yang berpotensi lebih besar daripada yang dapat diberikan komputasi quantum atau klasik untuk masalah tertentu

Karena komputasi quantum eksperimen terus berkembang pesat, kami memperkirakan bahwa superkomputer yang berpusat pada quantum akan menjadi jembatan penting untuk mencapai keunggulan quantum, tonggak sejarah yang digunakan para peneliti untuk mengukur apakah mesin quantum dapat mengungguli perangkat keras klasik yang menyimulasikan sistem quantum atau metode klasik lainnya untuk memecahkan masalah praktis. Namun, komputasi quantum diperkirakan tidak sepenuhnya menggantikan komputasi klasik. Sebaliknya, superkomputer yang berpusat pada quantum menggabungkan komputer quantum dan komputer klasik, di mana kedua jenis sistem bekerja sama untuk menjalankan komputasi yang melampaui apa yang mungkin dilakukan oleh salah satunya.

Secara global, beberapa fasilitas superkomputer telah mulai menggabungkan perangkat keras quantum, termasuk Jupiter dari Jerman, Fugaku dari Jepang, dan PSNC dari Polandia. Sebagai bagian dari Peta Jalan IBM Quantum, IBM berharap dapat membangun superkomputer yang berpusat pada quantum dengan ribuan qubit logis pada tahun 2033.

Tidak seperti komputer tradisional, komputer quantum menggunakan kualitas dasar fisika quantum untuk dapat memecahkan masalah yang kompleks. Empat prinsip utama komputer quantum adalah sebagai berikut:

• Superposisi: Superposisi adalah keadaan di mana partikel atau sistem quantum tidak hanya mewakili satu kemungkinan, tetapi juga kombinasi dari beberapa kemungkinan.
• Keterikatan: Keterikatan adalah proses di mana beberapa partikel quantum menjadi berkorelasi lebih kuat daripada yang dimungkinkan oleh probabilitas biasa.
• 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.
• Interferensi: Interferensi adalah fenomena di mana keadaan quantum yang terjerat dapat berinteraksi dan menghasilkan probabilitas yang lebih besar dan lebih kecil.

Sementara komputer klasik mengandalkan bit biner (nol dan satu) untuk menyimpan dan memproses data, komputer quantum dapat mengodekan lebih banyak data sekaligus menggunakan bit quantum (qubit) dalam superposisi. 

Qubit dapat berperilaku seperti bit tradisional dan menyimpan nilai nol atau satu, tetapi kekuatannya berasal dari kemampuannya untuk menyimpan superposisi: kombinasi tertimbang dari nol dan satu pada saat yang bersamaan. Ketika digabungkan, satu kumpulan qubit dalam superposisi dapat menyimpan lebih banyak informasi daripada jumlah bit yang sama. Akan tetapi, setiap qubit hanya dapat mengeluarkan satu bit informasi pada akhir perhitungan. Algoritma quantum bekerja dengan cara menyimpan dan memanipulasi informasi dengan cara yang tidak dapat diakses oleh komputer klasik, yang dapat memberikan percepatan penyelesaian masalah tertentu.

Mengontrol qubit membutuhkan perangkat keras halus yang sensitif terhadap gangguan dan harus disimpan pada suhu yang sangat dingin. Peneliti quantum menggunakan pendingin kriogenik untuk menjaga qubit pada suhu yang lebih dingin daripada kekosongan ruang. 

Saat ini, perangkat keras quantum mahal, besar, dan rawan kesalahan. Sementara para peneliti bekerja setiap hari untuk mengatasi tantangan membangun komputer quantum yang lebih besar, komputasi quantum tidak diperkirakan akan menggantikan komputasi tradisional sepenuhnya dalam waktu dekat atau kapan pun. Itu karena komputasi quantum paling cocok untuk masalah kompleks tertentu.

Dalam hitungan menit, komputer quantum berpotensi memecahkan masalah simulasi yang membutuhkan waktu ratusan ribu tahun bagi superkomputer tradisional. Percepatan kinerja ini, yang dikenal sebagai keunggulan quantum, baru terbukti secara teoretis. Namun, komputer IBM quantum telah menunjukkan utilitas quantum, kemampuan untuk memecahkan masalah pada skala di luar simulasi klasik brute force. 

Komputasi quantum dibangun di atas prinsip-prinsip mekanika quantum, yang menjelaskan bagaimana partikel subatomik berperilaku berbeda dari fisika tingkat makro. Namun karena mekanika quantum memberikan hukum dasar bagi seluruh alam semesta kita, pada tingkat sub-atom, setiap sistem adalah sistem quantum.

Karena alasan inilah kami dapat mengatakan bahwa meskipun komputer konvensional juga dibangun di atas sistem quantum, komputer tersebut tidak dapat memanfaatkan sepenuhnya sifat mekanis quantum selama perhitungannya. Komputer quantum memanfaatkan mekanika quantum dengan lebih baik untuk melakukan perhitungan tertentu yang bahkan tidak dapat dilakukan oleh komputer dengan berkinerja tinggi. 

Model komputasi klasik menggunakan string digit biner (bit) untuk mengurangi semua informasi menjadi kode biner yang terdiri dari nol dan satu. Menggunakan satu set gerbang logika sederhana, seperti AND, OR, NO dan NAND, kita dapat memproses informasi itu untuk melakukan perhitungan lanjutan. Namun, setiap gerbang logika hanya dapat bertindak pada satu atau dua bit pada satu waktu. Kami menentukan bahwa “keadaan” komputer klasik didasarkan pada keadaan semua bitnya. Komputer klasik menggunakan transistor dan semikonduktor untuk menyimpan dan memproses informasi biner. 

Komputer quantum menggunakan jenis khusus perangkat keras quantum yang disebut unit pemrosesan quantum (QPU) untuk menyimpan dan memproses data secara berbeda. Komputer klasik menggunakan transistor untuk menyimpan potongan informasi, tetapi komputer quantum menggunakan qubit yang biasanya terbuat dari partikel quantum (yang berperilaku seperti blok bangunan terkecil yang diketahui dari alam semesta fisik). Tidak seperti bit tradisional, qubit menyimpan lebih dari dua keadaan informasi.

Sementara komputer digital hanya dapat berada dalam satu keadaan, qubit komputer quantum dapat berada dalam banyak keadaan logis sekaligus selama komputasi. Fenomena ini dikenal sebagai superposisi, posisi ketiga yang mewakili nol, satu, dan semua posisi di antaranya berdasarkan probabilitas. Pada akhir perhitungan, setiap qubit akan memiliki nilai nol atau satu dengan probabilitas yang sesuai dengan kontribusinya terhadap superposisi.

Jenis qubit yang berbeda lebih baik untuk contoh penggunaan dan sistem yang berbeda. IBM menggunakan qubit superkonduktor yang disukai untuk kecepatan dan kontrol yang tepat. Qubit yang terbuat dari foton (partikel cahaya individual) biasanya digunakan dalam komunikasi quantum dan kriptografi quantum. Jenis qubit lainnya termasuk ion yang terperangkap, atom netral, dan elektron tunggal yang berada di dalam semikonduktor kecil yang dikenal sebagai titik quantum.  

Inti superkomputer yang berpusat pada quantum adalah unit pemrosesan quantum (QPU). QPU IBM mencakup perangkat keras yang mengambil sirkuit input dan output, serta chip semikonduktor dengan banyak lapisan yang ditanam dengan sirkuit superkonduktor. Sirkuit inilah yang berisi qubit yang digunakan untuk melakukan perhitungan dan gerbang yang melakukan operasi pada mereka. Sirkuit dibagi menjadi lapisan dengan qubit, lapisan dengan resonator untuk pembacaan, dan beberapa lapisan kabel untuk input dan output. QPU juga mencakup interconnect, penguat sinyal, dan komponen penyaringan sinyal.

Jenis qubit fisik yang digunakan oleh IBM terbuat dari kapasitor superkonduktor yang terhubung ke komponen yang disebut persimpangan Josephson yang berperilaku seperti induktor lossless nonlinier tanpa kehilangan. Karena sifat superkonduktor sistem, arus yang mengalir melintasi persimpangan Josephson hanya dapat mengasumsikan nilai tertentu. Persimpangan Josephson juga memberi jarak nilai-nilai spesifik tersebut sehingga hanya dua dari nilai tersebut yang dapat diakses.

Qubit kemudian dikodekan dalam dua nilai terendah arus, yang kemudian menjadi nol dan satu (atau sebagai superposisi nol dan satu). Programer mengubah keadaan qubit dan memasangkan qubit bersama dengan instruksi quantum, umumnya dikenal sebagai gerbang. Ini adalah serangkaian bentuk gelombang mikro yang dibuat secara khusus. 

Agar qubit tetap beroperasi pada suhu yang diperlukan, beberapa komponen QPU harus disimpan di dalam lemari es pengenceran yang menjaganya tetap dingin menggunakan helium cair. Komponen QPU lainnya memerlukan perangkat keras komputasi klasik suhu kamar. Kemudian, QPU terhubung ke infrastruktur waktu proses, yang juga melakukan mitigasi kesalahan dan pemrosesan hasil. Ini adalah komputer quantum.

Integrasi sistem quantum dan klasik dicapai melalui solusi middleware dan hybrid cloud yang memfasilitasi interaksi lancar antara keduanya. Pendekatan hybrid ini membantu memastikan bahwa unit pemrosesan quantum dapat digunakan secara efektif dalam komputer quantum yang terhubung ke kerangka kerja komputasi yang ada, memaksimalkan dampaknya tanpa memerlukan perombakan total infrastruktur saat ini.

Meskipun ada beberapa kemajuan baru-baru ini, mengendalikan qubit merupakan tantangan besar. Ketidakakuratan eksternal dan komunikasi silang antara sinyal kontrol menghancurkan sifat quantum yang rapuh dari qubit dan mengendalikan sumber ketidakakuratan ini telah menjadi kunci dalam memajukan pengembangan superkomputer berpusat pada quantum yang berguna. 

Di samping peningkatan perangkat keras, para peneliti telah menunjukkan kemampuan untuk menangani beberapa ketidakakuratan dengan menggunakan algoritma mitigasi kesalahan yang menganalisis bagaimana ketidakakuratan sistem mengubah output program. Para peneliti menggunakan informasi ini untuk membuat model ketidakakuratan dan kemudian menggunakan komputasi klasik untuk merekayasa balik hasil tanpa ketidakakuratan berdasarkan prediksi model. Mitigasi kesalahan quantum adalah bagian dari jalur berkelanjutan yang akan membawa perangkat keras quantum hari ini ke komputer quantum toleran kesalahan masa depan.

Dalam video berikut, peneliti IBM QUANTUM Andrew Eddins dan Youngseok Kim menjelaskan peran penting yang akan dimainkan mitigasi kesalahan dalam mencapai komputasi quantum yang berguna dalam waktu dekat.

Tidak seperti mitigasi kesalahan, di mana pascapemrosesan memperbaiki ketidakakuratan setelah perhitungan, koreksi kesalahan quantum dapat menghilangkan ketidakakuratan secara real-time selama pemrosesan, tanpa perlu membuat model ketidakakuratan tertentu terlebih dahulu. Meskipun efektif sampai titik tertentu, skala mitigasi kesalahan terbatas. Ketika kompleksitas sirkuit quantum meningkat, koreksi kesalahan tetap efektif dalam sistem skala besar.

Koreksi kesalahan quantum membutuhkan banyak sumber daya, seperti lebih banyak qubit dan gerbang dalam sirkuit. Komputasi dengan lebih banyak qubit membutuhkan lebih banyak qubit untuk koreksi kesalahan. Perangkat keras dan kode koreksi kesalahan yang lebih baik semakin mendekatkan koreksi kesalahan pada kenyataan. Awal tahun ini, IBM menerbitkan jenis baru memori koreksi kesalahan yang dapat diimplementasikan pada komputer quantum jangka pendek.

Perajutan sirkuit adalah teknik yang memecah satu masalah quantum menjadi beberapa masalah dan kemudian menjalankannya secara paralel pada prosesor quantum yang berbeda. Komputer quantum dan klasik menggabungkan dengan tepat hasil tiap sirkuit bersama-sama untuk mendapatkan hasil yang pasti. Perajutan sirkuit memungkinkan para peneliti quantum untuk menjalankan sirkuit quantum jauh lebih efisien dengan menggabungkan komputasi klasik dengan pemrosesan quantum. 

Konsepsi umum tentang "komputer quantum" sering kali membayangkan sebuah QPU tunggal, menggunakan jutaan qubit fisik, untuk menjalankan program secara mandiri. “Sebaliknya,” tulis VP Quantum dan Fellow IBM Jay Gambetta, “kami membayangkan komputer yang menggabungkan beberapa QPU, menjalankan sirkuit quantum secara paralel dengan komputer klasik terdistribusi.” Teknik lain mengandalkan komputasi klasik untuk sebagian besar perhitungan, hanya menyimpan bagian yang paling quantum untuk prosesor quantum.

Mencapai skala yang cukup besar untuk memecahkan masalah dengan komputer quantum memerlukan koreksi kesalahan ditambah QPU yang lebih besar atau beberapa QPU yang terhubung. Selain Qiskit, perangkat lunak komputasi quantum keseluruhan lapisan IBM untuk menjalankan beban kerja kuantum, IBM juga mengembangkan middleware untuk mengelola perajutan sirkuit yang akurat dan penyediaan sumber daya yang dinamis.

Komputer quantum unggul dalam memecahkan masalah kompleks tertentu yang berpotensi mempercepat pemrosesan kumpulan data berskala besar. Dari pengembangan obat baru hingga optimasi rantai pasokan hingga ilmu material dan perubahan iklim, komputasi quantum mungkin memegang kunci terobosan di beberapa industri penting.

• Obat-obatan: Quantum yang 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: Untuk alasan yang sama quantum dapat memengaruhi riset medis, mereka juga dapat memberikan solusi yang belum ditemukan untuk mengurangi produk sampingan kimia yang berbahaya atau merusak. Komputasi quantum dapat menghasilkan katalis yang lebih baik yang memungkinkan alternatif petrokimia atau proses yang lebih baik untuk penguraian karbon yang diperlukan untuk memerangi emisi yang mengancam iklim.

• Machine learning: Seiring dengan peningkatan minat dan investasi dalam kecerdasan buatan (AI) dan bidang terkait seperti machine learning, para peneliti mengeksplorasi apakah beberapa algoritma quantum mungkin dapat melihat kumpulan data dengan cara baru, memberikan percepatan untuk beberapa masalah machine learning.

Komputer quantum, seperti yang ada saat ini, adalah alat ilmiah yang berguna untuk menjalankan program tertentu di luar kemampuan brute-force dari simulasi klasik, setidaknya ketika menyimulasikan sistem quantum tertentu. Namun, pada masa mendatang, quantum akan bekerja bersama dengan superkomputer klasik modern dan masa depan agar dapat bermanfaat. Sebagai tanggapannya, para peneliti quantum sedang mempersiapkan dunia di mana superkomputer klasik dapat menggunakan sirkuit quantum untuk membantu memecahkan masalah.

Tantangan utama yang dihadapi superkomputer yang berpusat pada quantum meliputi kematangan middleware yang memungkinkan komputer klasik dan quantum berkomunikasi, serta tantangan umum yang dihadapi komputer quantum itu sendiri. Sebelum mencapai keunggulan quantum, pengembang telah mengidentifikasi hambatan utama berikut untuk diatasi.

Komputer quantum skala besar yang direalisasikan sepenuhnya membutuhkan jutaan qubit fisik. Namun, kendala perangkat keras praktis membuat penskalaan chip tunggal ke tingkat ini sangat menantang. Sebagai solusinya, IBM mengembangkan interconnect generasi berikutnya yang mampu menggeser informasi quantum di beberapa chip. Solusi ini menyediakan skalabilitas modular untuk mencapai qubit yang diperlukan untuk melakukan koreksi kesalahan. IBM berencana untuk mendemonstrasikan interconnect baru ini—yang disebut l-couple dan m-coupler—dengan chip bukti konsep yang masing-masing disebut Flamingo dan Crossbill. Coupler ini bertanggung jawab untuk penskalaan chip. IBM berencana untuk mendemonstrasikan c-coupler pada akhir 2026 dengan chip yang disebut Kookaburra. Mereka akan membantu koreksi kesalahan.

Meskipun prosesor quantum yang mengandalkan qubit yang digunakan dalam komputasi quantum memiliki potensi untuk mengungguli prosesor berbasis bit secara besar-besaran, prosesor quantum saat ini hanya dapat mendukung beberapa qubit potensial. Seiring dengan kemajuan riset, IBM berencana untuk memperkenalkan sistem quantum dengan 200 qubit logis yang mampu menjalankan 100 juta gerbang quantum pada tahun 2029, dengan tujuan 2.000 qubit logis yang mampu menjalankan 1 miliar gerbang pada tahun 2033.  

Meskipun kuat, qubit juga cukup rentan terhadap kesalahan, membutuhkan sistem pendingin besar yang mampu menciptakan suhu yang lebih rendah dari luar angkasa. Para peneliti saat ini sedang mengembangkan cara untuk menskalakan qubit, elektronik, infrastruktur, dan perangkat lunak guna mengurangi jejak, biaya, dan penggunaan energi.

Koherensi qubit singkat, tetapi integral, untuk menghasilkan data quantum yang akurat. Dekoherensi, proses di mana qubit gagal berfungsi dengan baik dan memberikan hasil yang tidak akurat, adalah rintangan utama bagi sistem quantum apa pun. Koreksi kesalahan quantum mengharuskan kita mengodekan informasi quantum menjadi lebih banyak qubit daripada yang kita butuhkan. Pada tahun 2024, IBM mengumumkan kode koreksi kesalahan baru yang penting, sekitar 10 kali lebih efisien daripada metode sebelumnya. Meskipun koreksi kesalahan bukanlah masalah yang sudah dipecahkan, kode baru ini menandai jalur yang jelas untuk menjalankan sirkuit quantum dengan satu miliar gerbang logika atau lebih. 

Keunggulan quantum membutuhkan dua komponen. Yang pertama adalah sirkuit quantum yang layak dan yang kedua adalah cara untuk menunjukkan bahwa sirkuit quantum tersebut sebenarnya adalah cara terbaik untuk memecahkan masalah quantum dibandingkan metode canggih lainnya. Penemuan algoritma quantum adalah apa yang akan membawa teknologi quantum saat ini dari utilitas quantum ke keunggulan quantum. 

Inti dari penemuan algoritma quantum bergantung pada tumpukan perangkat lunak berkinerja tinggi dan stabil untuk menulis, mengoptimalkan, dan mengeksekusi program quantum. Qiskit dari IBM sejauh ini merupakan perangkat lunak quantum yang paling banyak digunakan di dunia. Perangkat lunak ini berbasis Python dan terdiri dari SDK sumber terbuka serta alat dan layanan pendukung—berguna untuk eksekusi baik pada armada komputer quantum superkonduktor IBM maupun sistem yang menggunakan teknologi alternatif, seperti ion yang terperangkap dalam medan magnet atau quantum annealing.