Apa itu komputasi quantum?

Bidang komputasi quantum mencakup berbagai disiplin ilmu, termasuk perangkat keras quantum dan algoritma quantum. Meskipun masih dalam pengembangan, teknologi quantum akan segera dapat memecahkan masalah kompleks yang tidak dapat diselesaikan (atau dapat diselesaikan dengan lambat) oleh superkomputer klasik.

Dengan memanfaatkan fisika quantum, komputer quantum berskala besar akan mampu menangani masalah kompleks tertentu jauh lebih cepat daripada mesin klasik modern. Komputer quantum berpotensi memecahkan masalah tertentu dalam hitungan menit atau jam, sementara mesin konvensional memerlukan ribuan tahun untuk menyelesaikannya.

Mekanika quantum, studi fisika pada skala kecil, mengungkapkan prinsip-prinsip alam dasar yang mengejutkan. Komputer quantum secara khusus memanfaatkan fenomena ini untuk mengakses metode pemecahan masalah secara matematis yang tidak tersedia dengan komputasi klasik saja.

Dalam praktiknya, komputer quantum diharapkan dapat berguna secara luas untuk dua jenis tugas: memodelkan perilaku sistem fisik dan mengidentifikasi pola dan struktur informasi.

Mekanika quantum sedikit mirip dengan sistem operasi alam semesta. Komputer yang menggunakan prinsip quantum untuk memproses informasi memiliki keunggulan tertentu dalam memodelkan sistem fisik. Oleh karena itu, quantum sangat menarik untuk aplikasi kimia dan ilmu material. Misalnya, komputer quantum dapat membantu peneliti mencari molekul yang berguna untuk aplikasi farmasi atau teknik mengidentifikasi kandidat dengan lebih cepat dan efisien.

Komputer quantum juga dapat memproses data dengan menggunakan teknik matematika yang tidak dapat diakses oleh komputer klasik. Artinya, komputer quantum dapat memberikan struktur pada data dan membantu menemukan pola yang mungkin terlewatkan oleh algoritma klasik. Dalam praktiknya, kemampuan ini mungkin berguna dalam aplikasi di bidang biologi (misalnya, pelipatan protein) hingga keuangan.

Saat ini, banyak pekerjaan riset komputasi quantum melibatkan pencarian algoritma dan aplikasi dalam kategori luas penggunaan yang diharapkan ini. Sejalan dengan pencarian tersebut, pekerjaan yang penting dikhususkan untuk membangun teknologi itu sendiri.

Institusi terkemuka seperti IBM, Amazon, Microsoft, dan Google, bersama dengan perusahaan rintisan seperti Rigetti dan IonQ, terus berinvestasi secara besar-besaran dalam teknologi yang mengesankan ini. Akibatnya, nilai industri komputasi quantum diperkirakan akan mencapai 1,3 triliun USD pada tahun 2035. .

Bicara tentang komputer quantum, penting untuk memahami bahwa pada skala terkecil, semesta berperilaku berbeda dari apa yang kita alami dalam kehidupan sehari-hari. Dibandingkan dengan hal yang telah kita pelajari dalam fisika sekolah dasar, perilaku objek quantum sering kali ganjil dan berlawanan dengan intuisi.

Menggambarkan perilaku partikel quantum menghadirkan tantangan unik. Sebagian besar paradigma akal sehat untuk dunia alami tidak memiliki kosakata untuk mengomunikasikan perilaku mengejutkan dari partikel quantum. Tetapi quantum mengungkapkan bagaimana alam semesta benar-benar bekerja. Komputer Quantum memanfaatkan mekanika quantum dengan mengganti sirkuit bit biner tradisional dengan partikel quantum yang disebut bit quantum, atau qubit. Partikel-partikel ini berperilaku berbeda dari bit, menunjukkan sifat unik yang hanya dapat dijelaskan dengan quantum.

Untuk memahami komputasi quantum, penting untuk memahami empat prinsip mekanika quantum utama:

• Superposisi
• Keterikatan
• Dekoherensi
• Interferensi

Qubit itu sendiri tidak terlalu bermanfaat. Namun, qubit dapat menempatkan informasi quantum yang dimilikinya dalam kondisi superposisi, yang merepresentasikan kombinasi dari semua kemungkinan konfigurasi qubit. Kelompok qubit dalam superposisi dapat menciptakan ruang-ruang komputasi multidimensi yang kompleks. Masalah kompleks dapat direpresentasikan dengan cara baru di ruang-ruang ini.

Ketika sistem quantum diukur, kondisinya runtuh dari superposisi posibilitas menjadi kondisi biner, yang dapat diregister sebagai kode biner—baik nol maupun satu.

Keterikatan adalah kemampuan qubit untuk mengkorelasikan keadaan mereka dengan qubit lainnya. Sistem yang terjerat sangat terkait secara intrinsik sehingga ketika prosesor quantum mengukur satu qubit yang terjerat, mereka dapat segera menentukan informasi tentang qubit lain dalam sistem yang terjerat.

Interferensi adalah mesin komputasi quantum. Ketika ditempatkan ke dalam kondisi superposisi kolektif, qubit menyusun informasi dengan cara yang menyerupai gelombang, dengan amplitudo yang terkait dengan setiap hasil.

Amplitudo ini menjadi probabilitas hasil pengukuran sistem. Gelombang-gelombang ini dapat saling membangun saat banyak di antaranya mencapai puncak pada hasil tertentu atau saling meniadakan saat puncak dan lembah berinteraksi. Memperkuat suatu kemungkinan atau meniadakan kemungkinan lainnya, keduanya merupakan bentuk interferensi.

Dekoherensi adalah proses di mana sistem dalam keadaan quantum runtuh menjadi keadaan nonquantum. Hal ini dapat dipicu secara sengaja dengan mengukur sistem quantum atau oleh faktor lingkungan lainnya (terkadang faktor-faktor ini memicunya secara tidak sengaja). Secara umum, komputasi quantum membutuhkan penghindaran dan meminimalkan dekoherensi.

Untuk lebih memahami komputasi quantum, anggaplah bahwa dua gagasan yang mengejutkan sama-sama benar. Gagasan pertama menyatakan bahwa objek yang dapat diukur dan memiliki kondisi pasti—qubit dalam superposisi dengan amplitudo probabilitas yang ditentukan—akan berperilaku acak. Gagasan kedua menyatakan bahwa objek yang jauh—dalam hal ini, qubit yang saling terikat—masih dapat berperilaku dengan cara yang sangat berkorerasi, meskipun secara individual acak.

Komputasi pada komputer quantum bekerja dengan menyiapkan superposisi keadaan komputasi. Sirkuit quantum, disiapkan oleh pengguna, menggunakan operasi untuk menjerat qubit dan menghasilkan pola interferensi, seperti yang diatur oleh algoritma quantum. Banyak kemungkinan hasil dibatalkan melalui interferensi, sementara yang lain diperkuat. Hasil yang diperkuat merupakan solusi komputasi.

Perbedaan utama antara komputer klasik dan quantum adalah bahwa komputer quantum menggunakan qubit, bukan bit. Sementara komputasi quantum memang menggunakan kode biner, qubit memproses informasi secara berbeda dari komputer klasik. Tetapi apa itu qubit dan dari mana asalnya?

Sementara komputer klasik mengandalkan bit (nol dan satu) untuk menyimpan dan memproses data, komputer quantum memproses data secara berbeda dengan menggunakan bit quantum (qubit) dalam superposisi.

Qubit dapat bertindak seperti bit dan menyimpan nol atau satu, tetapi juga dapat berupa kombinasi tertimbang antara keduanya pada saat yang bersamaan. Ketika qubit digabungkan, kompleksitas superposisinya dapat meningkat tajam.

Misalnya, dua qubit dapat berada dalam superposisi dari empat string 2-bit yang mungkin. Demikian pula, tiga qubit dapat berada dalam superposisi dari delapan string 3-bit yang mungkin, dan pola ini berlanjut seiring lebih banyak qubit ditambahkan. Pada 100 qubit, rentang posibilitasnya sangat besar.

Algoritma quantum bekerja dengan memanipulasi informasi dengan cara yang tidak dapat diakses oleh komputer klasik, yang dapat memberikan kecepatan dramatis untuk masalah tertentu—terutama ketika komputer quantum dan superkomputer klasik berkinerja tinggi bekerja bersama.

Umumnya, qubit dibuat dengan memanipulasi dan mengukur sistem yang menunjukkan perilaku quantum, seperti sirkuit superkonduktor, foton, elektron, ion yang terperangkap, dan atom.

Saat ini, qubit untuk komputasi quantum dapat dibuat dengan berbagai cara, yang masing-masing lebih cocok untuk jenis tugas tertentu.

Beberapa jenis qubit yang paling umum digunakan adalah sebagai berikut:

• Qubit superkonduktor: Terbuat dari bahan superkonduktor yang beroperasi pada suhu rendah, qubit ini disukai karena kecepatannya dalam melakukan perhitungan dan kontrol yang disesuaikan dengan baik.
• Qubit ion terperangkap: Partikel ion yang terperangkap juga dapat digunakan sebagai qubit serta dicatat dalam waktu koherensi lama dan pengukuran dengan ketelitian tinggi, tetapi beroperasi pada kecepatan yang lebih lambat daripada qubit superkonduktor.
• Quantum dot: Quantum dot 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. Foton dapat digunakan untuk membuat qubit dan mengirim informasi quantum jarak jauh melalui kabel serat optik. Foton digunakan dalam komunikasi quantum dan kriptografi quantum.

Komputer yang menggunakan bit quantum memiliki keunggulan tertentu dibandingkan komputer yang menggunakan bit klasik. Karena qubit dapat menyimpan superposisi dan menunjukkan interferensi, komputer quantum yang menggunakan qubit mendekati masalah dengan cara yang berbeda dari komputer klasik.

Sebagai analogi yang berguna untuk memahami bagaimana komputer quantum menggunakan qubit untuk memecahkan masalah yang rumit, bayangkan Anda berdiri di tengah labirin yang rumit. Untuk keluar dari labirin, pendekatan komputasi klasik tradisional adalah dengan menerapkan “brute force” pada masalah, mencoba setiap kombinasi jalur yang mungkin untuk menemukan jalan keluar. Komputer semacam ini akan menggunakan bit untuk menjelajahi jalur baru dan mengingat jalur mana yang buntu.

Komputer quantum dapat memperoleh jalur yang benar tanpa perlu menguji semua jalur yang buruk, seolah-olah komputer ini memiliki pandangan yang luas tentang labirin tersebut. Namun, qubit tidak menguji beberapa jalur sekaligus. Sebaliknya, komputer quantum mengukur amplitudo probabilitas qubit untuk menentukan hasil.

Amplitudo ini berfungsi seperti gelombang, tumpang tindih dan saling mengganggu. Ketika gelombang asinkron tumpang tindih, itu secara efektif menghilangkan kemungkinan solusi untuk masalah kompleks, dan gelombang atau gelombang koheren yang direalisasikan menyajikan solusi yang benar.

Prosesor quantum IBM adalah wafer yang ukurannya tidak jauh lebih besar dari chip silikon yang ada pada laptop. Sistem perangkat keras quantum modern menggunakan suhu ultra dingin untuk menjaga instrumen tetap stabil. Komponen elektronik suhu ruangan ekstra mengontrol sistem dan memproses data quantum. Bersama, elemen-elemen ini membentuk konfigurasi seukuran sebuah mobil standar.

Besarnya jejak yang dihasilkan sebuah sistem perangkat keras quantum lengkap membuat sebagian besar komputer quantum sangat tidak portabel. Meskipun demikian, para peneliti dan ilmuwan komputer masih dapat mengakses kemampuan komputasi quantum di luar lokasi melalui komputasi cloud.

Meskipun jejak yang dihasilkan sebuah sistem perangkat keras quantum lengkap membuat sebagian besar komputer quantum sangat tidak portabel, para peneliti dan ilmuwan komputer tidak terbatasi oleh kendala ini. Mereka masih dapat mengakses kemampuan komputasi quantum di luar lokasi melalui komputasi cloud. Komponen perangkat keras utama dari komputer quantum adalah sebagai berikut.

Terdiri dari qubit yang ditata dalam berbagai konfigurasi untuk memungkinkan komunikasi, chip quantum, juga dikenal sebagai bidang data quantum-bertindak sebagai otak komputer quantum.

Sebagai komponen inti dalam komputer quantum, prosesor quantum berisi qubit fisik sistem dan struktur yang diperlukan untuk menahannya. Unit pemrosesan quantum (QPU) mencakup chip quantum, elektronik kontrol, dan perangkat keras komputasi klasik yang diperlukan untuk input dan output.

Komputer desktop Anda biasanya menggunakan kipas agar mesin cukup dingin untuk beroperasi. Prosesor quantum harus dalam keadaan dingin—kira-kira seratus kali lebih dingin daripada satu derajat melewati nol mutlak—untuk meminimalkan kebisingan dan menghindari dekoherensi demi mempertahankan kondisi quantumnya. Suhu sangat rendah ini dicapai dengan superfluida berpendingin super. Pada suhu ini, bahan tertentu menunjukkan efek mekanis quantum yang penting: elektron bergerak melaluinya tanpa hambatan. Efek ini menjadikannya superkonduktor.

Ketika bahan menjadi superkonduktor, elektronnya cocok, membentuk pasangan Cooper. Pasangan ini dapat membawa muatan melintasi penghalang, atau insulator, melalui proses yang dikenal sebagai terowongan kuantum. Dua superkonduktor yang ditempatkan di kedua sisi isolator membentuk persimpangan Josephson, bagian penting dari perangkat keras komputasi quantum.

Komputer quantum menggunakan sirkuit dengan kapasitor dan sambungan Josephson sebagai qubit superkonduktor. Dengan menembakkan foton gelombang mikro pada qubit ini, kami dapat mengontrol perilakunya serta membuat mereka menyimpan, mengubah, dan membaca unit informasi kuantum.

Penelitian mengenai komponen perangkat keras quantum terus berkembang, meski aspek itu hanyalah salah satu sisi dari permasalahan. Inti dari penemuan pengguna akan keunggulan quantum adalah tumpukan perangkat lunak quantum yang berkinerja tinggi dan stabil untuk memungkinkan algoritma quantum generasi berikutnya.

Pada tahun 2024, IBM® memperkenalkan versi stabil pertama dari kit Qiskit pengembangan perangkat lunak sumber terbuka (SDK) Qiskit, Qiskit SDK 1.x. Dengan lebih dari 600.000 pengguna terdaftar dan 700 universitas global yang menggunakannya untuk mengembangkan kelas komputasi quantum, Qiskit telah menjadi tumpukan perangkat lunak pilihan untuk komputasi quantum.

Namun, Qiskit lebih dari sekadar perangkat lunak pengembangan quantum terpopuler di dunia untuk membangun dan menyusun konstruksi sirkuit quantum. Kami mendesain ulang Qiskit agar merepresentasikan perangkat lunak full-stack untuk quantum di IBM. Desain ulang ini mencakup perluasan Qiskit SDK dengan perangkat lunak dan layanan middleware untuk menulis, mengoptimalkan, serta menjalankan program pada sistem IBM Quantum—termasuk alat bantuan kode AI generatif baru.

Komputasi quantum dibangun berdasarkan prinsip mekanika quantum, yang menjelaskan bagaimana objek berukuran kecil berperilaku berbeda dari objek berukuran besar. Namun, karena mekanika quantum menyediakan hukum dasar bagi semesta kita, pada skala kecil, setiap sistem pada dasarnya merupakan sistem quantum.

Karena alasan ini, kita 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 diharapkan dapat memanfaatkan mekanika quantum dengan lebih baik untuk melakukan perhitungan yang bahkan komputer berkinerja tinggi tidak dapat.

Dari punch-card adders kuno hingga superkomputer modern, komputer tradisional (atau klasik) pada dasarnya berfungsi dengan cara yang sama. Mesin-mesin ini umumnya melakukan perhitungan secara berurutan, menyimpan data dengan menggunakan bit informasi biner. Setiap bit mewakili 0 atau 1.

Melalui penggabungan ke dalam kode biner dan manipulasi dengan operasi logika, komputer mampu menciptakan segala sesuatunya, mulai dari perangkat lunak sederhana hingga komputasi super berteknologi tinggi.

Layaknya komputer klasik, komputer quantum adalah mesin pemecahan masalah. Namun, komputasi quantum menggunakan qubit dan bukan bit. Qubit digunakan untuk memproses data seperti bit tradisional; akan tetapi, dengan memanfaatkan fenomena quantum, qubit dapat mengakses matematika yang lebih kompleks untuk jenis komputasi yang berbeda. Prinsip ini didasari oleh konsep mekanika quantum yang dikenal sebagai superposisi dan interferensi, yang telah dibahas sebelumnya.

• Digunakan oleh komputer dan perangkat serbaguna yang umum.
• Memproses informasi dalam bit dengan jumlah kemungkinan status diskrit, 0 atau 1.

• Digunakan oleh perangkat keras komputasi quantum berbasis mekanika quantum khusus.
• Memproses informasi dalam qubit sebagai 0, 1, atau superposisi 0 dan 1.
• Memproses data dengan logika quantum dengan menggunakan interferensi untuk memecahkan masalah.

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 yang rumit, sirkuit quantum yang terbuat dari qubit logis dapat memproses masalah yang kompleks dengan lebih efisien.

Sementara komputer tradisional biasanya memberikan jawaban tunggal, mesin probabilistik quantum sering kali memberikan berbagai kemungkinan jawaban. Kisaran ini mungkin membuat komputasi quantum tampak kurang tepat daripada komputasi tradisional. Namun, untuk berbagai masalah yang sangat kompleks yang mungkin akan segera dipecahkan oleh quantum, cara komputasi ini berpotensi menghemat ratusan ribu tahun komputasi tradisional.

Dalam praktiknya, komputer quantum dan komputer klasik bekerja bersama dalam alur kerja gabungan untuk memecahkan masalah. Pada metode yang paling efisien, bagian komputasi yang paling dikuasai oleh komputer quantum akan didistribusikan ke sumber daya quantum, sementara bagian komputasi yang paling dikuasai oleh komputer klasik akan didistribusikan ke sumber daya komputasi klasik.

Komputer quantum yang terealisasi sepenuhnya yang bekerja bersama dengan komputer klasik berkinerja tinggi akan jauh lebih unggul daripada komputer klasik saja untuk jenis masalah tertentu seperti faktorisasi integer. Tetapi quantum komputasi tidak ideal untuk setiap (atau bahkan sebagian besar) masalah.

Untuk sebagian besar jenis tugas dan masalah, komputer klasik diharapkan tetap menjadi solusi terbaik. Namun, ketika para ilmuwan dan insinyur menghadapi masalah tertentu yang sangat kompleks, komputasi quantum dibutuhkan. Untuk jenis perhitungan yang rumit ini, bahkan superkomputer klasik yang paling canggih tidak dapat mengungguli komputasi quantum. Superkomputer klasik yang paling canggih sekalipun merupakan mesin berbasis kode biner yang masih mengandalkan teknologi abad ke-20.

Masalah yang kompleks adalah masalah dengan banyak variabel yang berinteraksi dengan cara yang rumit. Misalnya, pemodelan perilaku atom-atom individual dalam suatu molekul merupakan masalah yang kompleks karena semua interaksi yang berbeda antara elektron. Mengidentifikasi fisika baru dalam supercollider juga merupakan masalah yang kompleks. Ada beberapa masalah rumit yang tidak kita ketahui cara memecahkannya dengan komputer klasik pada skala praktis apa pun.

Komputer klasik mungkin andal dalam menyelesaikan tugas-tugas sulit seperti memilah-milah basis data molekul berukuran besar. Namun, komputer ini kesulitan memecahkan masalah yang lebih kompleks, seperti menyimulasikan perilaku molekul.

Saat ini, jika ingin mengetahui perilaku sebuah molekul, ilmuwan harus menyintesis dan melakukan eksperimen terhadap molekul tersebut di dunia nyata. Jika ingin mengetahui dampak suatu perubahan kecil pada perilaku molekul, ilmuwan biasanya perlu menyintesis versi molekul baru dan mengulangi eksperimen dari awal. Proses ini berbiaya tinggi dan memakan waktu, sehingga menghambat kemajuan di berbagai bidang seperti kedokteran dan desain semikonduktor.

Superkomputer klasik mungkin mencoba menyimulasikan perilaku molekul secara paksa dengan menggunakan banyak prosesor untuk mengeksplorasi setiap cara untuk setiap kemungkinan perilaku dari molekul tersebut. Namun, saat beralih dari molekul yang paling sederhana dan mudah dipahami yang ada, kerja superkomputer terhenti. Tidak ada komputer klasik yang mampu menangani semua kemungkinan permutasi perilaku molekuler dengan menggunakan metode apa pun yang diketahui saat ini.

Algoritma quantum mengambil pendekatan baru untuk berbagai masalah kompleks semacam ini dengan menciptakan ruang komputasi multidimensi untuk menjalankan algoritma yang berperilaku seperti molekul-molekul itu sendiri. Pendekatan ini terbukti menjadi cara yang jauh lebih efisien untuk memecahkan masalah kompleks seperti simulasi kimia.

Salah satu pertimbangan untuk memahami gagasan ini: Komputer klasik perlu melakukan penghitungan untuk mengetahui bagaimana suatu molekul akan berperilaku. Komputer quantum tidak perlu melakukan penghitungan karena dapat secara langsung meniru sistem molekuler tersebut.

Algoritma quantum juga dapat memproses data dengan cara yang tidak dapat dilakukan komputer klasik, menawarkan struktur dan insight baru.

Teori komputasi quantum pertama kali muncul pada awal tahun 1980-an, tetapi baru pada tahun 1994 ahli matematika Peter Shor memublikasikan salah satu aplikasi dunia nyata praktis pertama untuk mesin quantum hipotetis. Algoritma Shor untuk pemfaktoran bilangan bulat menunjukkan bagaimana komputer mekanis quantum berpotensi memecahkan sistem kriptografi yang paling canggih saat itu—yang beberapa di antaranya masih digunakan hingga saat ini.

Temuan Shor menunjukkan penerapan yang layak untuk sistem quantum, dengan implikasi dramatis tidak hanya untuk keamanan siber, tetapi banyak bidang lainnya.

Perusahaan rekayasa, lembaga keuangan, dan perusahaan pelayaran global, di antaranya, tengah mengeksplorasi berbagai contoh penggunaan yang memanfaatkan potensi komputer quantum dalam menyelesaikan masalah penting di tiap-tiap bidang. Dalam waktu dekat, akan banyak manfaat dari riset dan pengembangan quantum yang terwujud. Seiring dengan berkembangnya perangkat keras quantum dan algoritma quantum, kita dapat segera menemukan solusi baru untuk masalah-masalah besar dan penting seperti simulasi molekuler, manajemen infrastruktur energi, dan pemodelan pasar keuangan.

Komputer quantum unggul dalam memecahkan masalah kompleks tertentu yang memiliki banyak variabel. Dari pengembangan obat baru hingga kemajuan dalam pengembangan semikonduktor dan mengatasi tantangan yang kompleks dalam industri energi, komputasi quantum mungkin memegang kunci terobosan di beberapa industri penting.

Meskipun bukan lagi menjadi teori semata, komputasi quantum masih dalam tahap pengembangan. Saat para ilmuwan di seluruh dunia berupaya menemukan teknik baru untuk meningkatkan kecepatan, kekuatan, dan efisiensi mesin quantum, teknologi sedang mendekati titik balik. Kita memahami evolusi komputasi quantum bermanfaat dengan konsep keunggulan quantum dan utilitas quantum.

Utilitas quantum mengacu pada komputasi quantum yang memberikan solusi andal dan akurat untuk masalah yang tidak dapat diatasi simulator mesin quantum komputasi klasik brute-force. Sebelumnya, masalah ini hanya dapat diakses dengan metode pendekatan klasik—biasanya metode pendekatan khusus masalah yang dibuat dengan cermat untuk memanfaatkan struktur unik dari masalah tertentu. IBM pertama kali mendemonstrasikan utilitas quantum pada tahun 2023.

Secara umum, istilah keunggulan quantum menggambarkan situasi ketika quantum dapat memberikan solusi yang lebih baik, lebih cepat, atau lebih murah daripada semua metode klasik yang dikenal. Algoritma yang menunjukkan keunggulan quantum pada komputer quantum harus dapat memberikan manfaat praktis yang signifikan, melebihi semua metode komputasi klasik yang diketahui. IBM memperkirakan dapat mencapai keunggulan quantum pertama pada akhir 2026, melalui kerja sama antara komunitas komputasi quantum dan komputasi berkinerja tinggi.

Karena komputasi quantum saat ini menawarkan alternatif yang layak untuk perkiraan klasik atas masalah-masalah tertentu, peneliti berpendapat bahwa komputasi quantum merupakan alat yang berguna untuk eksplorasi ilmiah, atau bahwa komputasi quantum memiliki kegunaan (utilitas). Utilitas quantum bukanlah klaim bahwa metode quantum telah mencapai percepatan yang mapan atas semua metode klasik yang diketahui. Ciri ini merupakan pembeda utama dari konsep keunggulan quantum.

IBM telah memperkenalkan dua metrik untuk mengukur kinerja komputer quantum: Layer fidelity dan operasi lapisan sirkuit per detik (circuit layer operations per second, CLOPS).

Sebagai salah satu tolok ukur yang berharga, layer fidelity menyediakan cara untuk merangkum seluruh kemampuan prosesor quantum untuk menjalankan sirkuit sambil mengungkapkan informasi tentang tiap-tiap qubit, gerbang, dan crosstalk. Dengan menjalankan protokol layer fidelity, para peneliti dapat memenuhi syarat perangkat quantum secara keseluruhan sekaligus mendapatkan akses ke kinerja mendetail dan informasi kesalahan tentang tiap-tiap komponen.

Selain layer fidelity, IBM juga menetapkan metrik kecepatan: Operasi lapisan sirkuit per detik (circuit layer operations per second, CLOPS). Saat ini, CLOPS mengukur seberapa cepat prosesor dapat menjalankan sirkuit volume quantum secara seri, dengan bertindak sebagai ukuran kecepatan sistem secara keseluruhan, serta menggabungkan komputasi quantum dan klasik.

Bersama-sama, layer fidelity dan CLOPS memberikan cara baru untuk mengukur kinerja sistem secara lebih bermakna bagi orang-orang yang mencoba meningkatkan dan menggunakan perangkat keras quantum. Kedua metrik ini memudahkan untuk membandingkan satu sistem dengan yang lain, membandingkan sistem kita dengan arsitektur lain, dan mencerminkan peningkatan kinerja di berbagai skala.

Kedalaman sirkuit juga merupakan kemampuan penting dari unit pemrosesan quantum. Ini adalah ukuran jumlah eksekusi gerbang paralel-jumlah langkah dalam sirkuit quantum-yang dapat dijalankan oleh unit pemrosesan sebelum qubit terdekomposisi. Semakin besar kedalaman sirkuit, semakin kompleks sirkuit yang dapat dijalankan komputer.

Hari ini, perusahaan seperti IBM®, Google, Microsoft, D-Wave, Rigetti Computing dan lainnya membuat perangkat keras quantum nyata. Berbagai alat canggih yang empat dekade lalu hanya berupa teori, kini telah tersedia bagi ratusan ribu pengembang. Insinyur menghadirkan prosesor quantum superkonduktor yang semakin kuat secara berkala, bersamaan dengan kemajuan penting dalam perangkat lunak dan orkestrasi quantum-klasik. Pekerjaan ini mendorong kecepatan dan kapasitas komputasi quantum yang diperlukan untuk mengubah dunia.

Setelah bidang ini telah mencapai utilitas quantum, para peneliti bekerja keras untuk membuat komputer quantum canggih menjadi lebih berguna. Para peneliti di IBM® Quantum dan di tempat lain telah mengidentifikasi beberapa tantangan utama untuk meningkatkan kegunaan quantum dan berpotensi mencapai keunggulan quantum:

1. Penskalaan prosesor quantum: Meskipun prosesor qubit yang digunakan dalam komputasi quantum berpotensi mengungguli prosesor berbasis bit secara signifikan, prosesor quantum saat ini hanya dapat mendukung beberapa qubit potensial. Seiring kemajuan riset, IBM berencana memperkenalkan sistem quantum dengan 200 qubit logis yang mampu menjalankan 100 juta gerbang quantum pada tahun 2029. Dalam jangka panjang, IBM menargetkan untuk membangun sistem dengan 2.000 qubit logis yang mampu menjalankan 1 miliar gerbang pada tahun 2033.
2. Penskalaan perangkat keras quantum: Meskipun tangguh, qubit juga rawan kesalahan, sehingga membutuhkan sistem pendingin besar yang mampu menciptakan suhu lebih rendah daripada di luar angkasa. Para peneliti sedang mengembangkan cara untuk menskalakan qubit, perangkat elektronik, infrastruktur, dan perangkat lunak guna mengurangi jejak, biaya, dan penggunaan energi.
3. Koreksi kesalahan quantum: Dekoherensi, proses ketika qubit gagal berfungsi dengan baik dan memberikan hasil yang tidak akurat, adalah rintangan utama bagi sistem quantum apa pun. Untuk mengoreksi kesalahan quantum, kita perlu mengenkodekan informasi quantum ke dalam lebih banyak qubit daripada yang dibutuhkan. Pada tahun 2024, IBM mengumumkan kode koreksi kesalahan baru penting yang kira-kira 10 kali lebih efisien daripada metode sebelumnya. Meskipun masih terdapat tantangan dalam implementasi kode koreksi kesalahan quantum dan pelaksanaan komputasi pada informasi quantum yang dienkodekan, kode baru ini memberikan kejelasan langkah ke depan. Kode tersebut diarahkan untuk menjalankan sirkuit quantum dengan satu miliar gerbang logika atau lebih.
4. Penemuan algoritma quantum: Keunggulan quantum membutuhkan dua komponen. Yang pertama adalah sirkuit quantum yang layak, dan yang kedua adalah sarana untuk menunjukkan bahwa sirkuit quantum tersebut lebih baik daripada metode klasik yang diketahui dalam memecahkan masalah quantum. Penemuan algoritma quantum adalah apa yang akan membawa teknologi quantum saat ini dari utilitas quantum ke keunggulan quantum.
5. Perangkat lunak dan middleware quantum: Agar dapat dimanfaatkan secara maksimal, komputasi quantum harus ditopang oleh tumpukan perangkat lunak berkinerja tinggi dan stabil untuk penulisan, pengoptimalan, dan eksekusi program quantum. Berasal dari sumber terbuka dan berbasis Python, Qiskit dari IBM merupakan SDK quantum yang paling banyak digunakan di dunia. SDK ini dapat digunakan untuk eksekusi pada armada komputer quantum superkonduktor IBM. Qiskit juga dapat diaplikasikan pada sistem yang menggunakan teknologi alternatif, seperti ion yang terperangkap dalam medan magnet atau anil quantum.
6. Superkomputasi yang berpusat pada quantum: Di masa mendatang, komputasi quantum akan bekerja bersama-sama dengan superkomputasi klasik modern dan masa depan agar bermanfaat. Sebagai tanggapannya, para peneliti quantum sedang mempersiapkan dunia di mana superkomputer klasik dapat menggunakan sirkuit quantum untuk membantu memecahkan masalah.