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 oleh superkomputer klasik (atau tidak dapat diselesaikan dengan cukup cepat).

Dengan memanfaatkan fisika quantum, komputer quantum berskala besar akan mampu menangani masalah kompleks tertentu berkali-kali lipat lebih cepat daripada mesin klasik modern. Dengan komputer quantum, beberapa masalah yang mungkin memerlukan waktu ribuan tahun untuk dipecahkan oleh komputer klasik dapat diselesaikan dalam hitungan menit atau jam.

Mekanika quantum, studi fisika pada skala yang sangat kecil, mengungkapkan prinsip-prinsip alam dasar yang mengejutkan. Komputer Quantum secara khusus memanfaatkan fenomena ini untuk mengakses metode matematis dalam memecahkan masalah 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. Itu berarti mereka dapat memberikan struktur pada data dan membantu menemukan pola yang mungkin dilewatkan oleh algoritma klasik saja. Dalam praktiknya, ini mungkin berguna untuk aplikasi mulai dari biologi (misalnya, pelipatan protein) hingga keuangan.

Saat ini, banyak pekerjaan penelitian komputasi quantum melibatkan pencarian algoritma dan aplikasi dalam kategori penggunaan yang diharapkan ini. Selain itu, solusi ini juga membangun teknologi baru itu sendiri.

Karena institusi terkemuka seperti IBM®, Amazon, Microsoft, dan Google serta perusahaan rintisan seperti Rigetti dan Ionq Lanjutkan berinvestasi besar-besaran dalam teknologi ini, komputasi quantum diperkirakan akan menjadi industri senilai 1,3 triliun USD pada tahun 2035.

Ketika membahas komputer quantum, penting untuk memahami bahwa pada skala terkecil, alam semesta berperilaku sangat berbeda dari apa yang biasa kita lihat dalam kehidupan sehari-hari. Dibandingkan dengan apa yang kita pelajari dalam fisika sekolah dasar, perilaku objek quantum sering kali aneh 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 dengan sendirinya tidak terlalu berguna. Namun, qubit dapat menempatkan informasi quantum yang dimilikinya ke dalam keadaan superposisi, yang merepresentasikan kombinasi dari semua kemungkinan konfigurasi qubit. Sekelompok qubit dalam superposisi dapat menciptakan ruang komputasi multidimensi yang kompleks. Masalah kompleks dapat direpresentasikan dengan cara baru di ruang-ruang ini.

Ketika sistem quantum diukur, keadaannya runtuh dari superposisi kemungkinan menjadi keadaan biner, yang dapat didaftarkan seperti kode biner sebagai nol atau 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.

Gangguan adalah mesin komputasi quantum. Lingkungan qubit yang ditempatkan dalam keadaan superposisi kolektif menyusun informasi dengan cara yang tampak seperti gelombang, dengan amplitudo yang dikaitkan 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, pertimbangkan bahwa dua ide mengejutkan sama-sama benar. Yang pertama adalah bahwa objek yang dapat diukur sebagai memiliki keadaan yang pasti—qubit dalam superposisi dengan amplitudo probabilitas yang ditentukan—berperilaku acak. Yang kedua adalah bahwa objek yang jauh—dalam kasus ini, qubit yang terjerat—masih dapat berperilaku dengan cara yang, meskipun secara individual acak, sangat berkorelasi.

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 quantum bits (qubits) dalam superposisi.

Sebuah qubit dapat berperilaku seperti bit dan menyimpan nol atau satu, tetapi juga dapat berupa kombinasi tertimbang antara nol dan satu pada saat yang bersamaan. Ketika qubit digabungkan, superposisi mereka dapat tumbuh secara eksponensial dalam kompleksitas: dua qubit dapat berada dalam superposisi dari empat kemungkinan string 2-bit, tiga qubit dapat berada dalam superposisi dari delapan kemungkinan string 3-bit, dan seterusnya. Dengan 100 qubit, jangkauan kemungkinannya 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.

Ada banyak cara berbeda untuk membuat qubit yang digunakan dalam komputasi quantum saat ini, dengan beberapa di antaranya lebih cocok untuk jenis tugas yang berbeda.

Beberapa jenis qubit yang paling umum digunakan adalah sebagai berikut:

• Qubit superkonduktor: Terbuat dari bahan superkonduktor yang beroperasi pada suhu yang sangat rendah, qubit ini disukai karena kecepatannya dalam melakukan komputasi dan kontrol yang disesuaikan dengan baik.
• Qubit ion yang terperangkap: Partikel ion yang terperangkap juga dapat digunakan sebagai qubit dan tercatat memiliki waktu koherensi yang lama dan pengukuran dengan ketelitian tinggi, tetapi jauh 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.

Sebuah prosesor quantum IBM® adalah wafer yang tidak jauh lebih besar dari chip silikon yang ditemukan di laptop. Namun, sistem perangkat keras quantum modern (digunakan untuk menjaga instrumen pada suhu yang sangat dingin) dan komponen elektronik suhu ruangan ekstra untuk mengontrol sistem dan memproses data quantum berukuran kira-kira sebesar mobil biasa.

Meskipun jejak besar dari sistem perangkat keras quantum yang lengkap membuat sebagian besar komputer quantum sama sekali tidak portabel, para peneliti dan ilmuwan komputer masih dapat mengakses kemampuan komputasi quantum di luar lokasi melalui komputasi cloud. Komponen perangkat keras utama 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 mungkin menggunakan kipas angin agar cukup dingin untuk bekerja. Prosesor quantum harus sangat dingin—sekitar seperseratus derajat di atas nol absolut—untuk meminimalkan kebisingan dan menghindari dekoherensi agar dapat mempertahankan kondisi quantumnya. Suhu sangat rendah ini dicapai dengan superfluida yang didinginkan secara superdingin. Pada suhu ini, bahan tertentu menunjukkan efek quantum mekanis yang penting: elektron bergerak melaluinya tanpa hambatan. Efek ini membuatnya menjadi 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.

Tetapi Qiskit lebih dari sekadar perangkat lunak pengembangan quantum terpopuler di dunia untuk membangun dan mengkonstruksi sirkuit quantum. Kami mendefinisikan ulang Qiskit untuk mewakili perangkat lunak keseluruhan lapisan untuk quantum di IBM, memperluas Qiskit SDK dengan perangkat lunak dan layanan middleware untuk menulis, mengoptimalkan, dan menjalankan program pada sistem Quantum — termasuk alat bantuan kode AI generatif baru.

Komputasi quantum dibangun di atas prinsip-prinsip mekanika quantum, yang menjelaskan bagaimana objek yang sangat kecil berperilaku berbeda dari objek besar. Namun karena mekanika quantum memberikan hukum dasar bagi seluruh alam semesta kita, pada tingkat yang sangat kecil, setiap sistem adalah 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.

Komputer quantum, seperti komputer klasik, adalah mesin pemecah masalah. Komputasi quantum menggunakan qubit, bukan bits. Qubit digunakan untuk memproses data seperti bit tradisional; namun, dengan memanfaatkan fenomena quantum, qubit memiliki akses ke matematika yang lebih kompleks untuk jenis komputasi yang berbeda. Hal ini disebabkan oleh konsep 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. Metode yang paling efisien mendistribusikan bagian-bagian dari komputasi yang paling baik oleh komputer quantum ke sumber daya quantum dan bagian-bagian yang terbaik dari komputer klasik ke sumber daya 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. Tetapi ketika para ilmuwan dan insinyur menghadapi masalah tertentu yang sangat kompleks, quantum computing ikut berperan. Untuk jenis perhitungan yang sulit ini, bahkan superkomputer klasik yang paling kuat pun tidak ada apa-apanya dibandingkan dengan komputasi quantum. Hal ini dikarenakan superkomputer klasik yang paling canggih sekalipun adalah mesin berbasis kode biner yang bergantung pada 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 para ilmuwan ingin mengetahui bagaimana perilaku sebuah molekul, mereka harus menyintesisnya dan bereksperimen dengannya di dunia nyata. Jika mereka ingin mengetahui bagaimana perubahan kecil akan berdampak pada perilakunya, mereka biasanya perlu menysintesis versi yang baru dan menjalankan eksperimen mereka dari awal. Proses ini mahal 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 tempat menjalankan algoritma yang berperilaku seperti molekul-molekul itu sendiri. Faktanya, ini menjadi cara yang jauh lebih efisien untuk memecahkan masalah kompleks seperti simulasi kimia.

Salah satu cara untuk memikirkan tentang hal ini: Komputer klasik perlu menghitung angka-angka untuk mengetahui bagaimana suatu molekul akan berperilaku. Komputer quantum tidak perlu menghitung angka-angka. Komputer quantum ini dapat meniru sistem molekuler secara langsung.

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

Pertama kali diteorikan pada awal 1980-an, baru pada tahun 1994 matematikawan Peter Shor menerbitkan salah satu aplikasi dunia nyata praktis pertama untuk mesin quantum hipotetis. Algoritma Shor untuk faktorisasi bilangan bulat menunjukkan bagaimana komputer mekanis quantum berpotensi memecahkan sistem kriptografi yang paling canggih pada saat itu—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 teknik, lembaga keuangan, dan perusahaan pelayaran global, antara lain, sedang menjajaki contoh penggunaan di mana komputer quantum dapat memecahkan masalah penting di bidangnya. Dalam waktu dekat, akan banyak manfaat dari penelitian dan pengembangan quantum yang terwujud. Seiring dengan meningkatnya skala perangkat keras quantum dan algoritme 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 dengan banyak variabel. Dari pengembangan obat baru hingga kemajuan dalam pengembangan semikonduktor dan mengatasi tantangan energi yang kompleks, komputasi quantum mungkin memegang kunci terobosan di beberapa industri penting.

Meskipun tidak lagi hanya teoretis, komputasi quantum masih dalam pengembangan. Ketika para ilmuwan di seluruh dunia berusaha untuk menemukan teknik baru untuk meningkatkan kecepatan, kekuatan dan efisiensi mesin quantum, teknologi mendekati titik balik. Kami memahami evolusi komputasi quantum yang berguna menggunakan konsep keunggulan quantum dan kegunaan quantum.

Utilitas quantum mengacu pada komputasi quantum apa pun yang memberikan solusi yang andal dan akurat untuk masalah yang berada di luar jangkauan 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 di mana 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 yang signifikan di luar semua metode komputasi klasik yang diketahui. IBM® berharap bahwa keuntungan quantum pertama harus direalisasikan pada akhir 2026, jika komunitas quantum dan kinerja tinggi bekerja sama.

Karena komputasi quantum sekarang menawarkan alternatif yang layak untuk perkiraan klasik untuk masalah-masalah tertentu, para peneliti mengatakan bahwa komputasi quantum merupakan alat yang berguna untuk eksplorasi ilmiah, atau bahwa komputasi quantum memiliki kegunaan. Kegunaan quantum bukan merupakan klaim bahwa metode quantum telah mencapai peningkatan kecepatan yang terbukti atas semua metode klasik yang dikenal. Ini adalah perbedaan utama dari konsep keunggulan quantum.

IBM telah memperkenalkan dua metrik untuk tolok ukur komputer quantum: kesetiaan lapisan dan operasi lapisan sirkuit per detik (CLOPS).

Tolok ukur yang sangat berharga, fidelitas lapisan menyediakan cara untuk merangkum seluruh kemampuan prosesor quantum untuk menjalankan sirkuit sambil mengungkapkan informasi tentang qubit, gerbang, dan crosstalk individu. Dengan menjalankan protokol fidelitas lapisan, para peneliti dapat memenuhi syarat perangkat quantum secara keseluruhan sekaligus mendapatkan akses ke kinerja granular dan informasi kesalahan tentang masing-masing komponen.

Selain fidelitas lapisan, IBM® juga mendefinisikan metrik kecepatan: operasi lapisan sirkuit per detik (CLOPS). Saat ini, CLOPS adalah ukuran seberapa cepat prosesor dapat menjalankan sirkuit volume quantum secara seri, yang bertindak sebagai ukuran kecepatan sistem holistik, yang menggabungkan komputasi quantum dan klasik.

Bersama-sama, fidelitas lapisan dan CLOPS memberikan cara baru untuk membuat tolok ukur sistem yang lebih bermakna bagi orang-orang yang mencoba meningkatkan dan menggunakan perangkat keras quantum. Metrik ini memudahkan untuk membandingkan sistem satu sama lain, membandingkan sistem kita dengan arsitektur lain, dan mencerminkan peningkatan kinerja di seluruh 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. Menskalakan prosesor quantum: Meskipun prosesor qubit yang digunakan dalam komputasi quantum memiliki potensi untuk mengungguli prosesor berbasis bit secara masif, prosesor quantum saat ini hanya dapat mendukung sejumlah kecil qubit potensial. Seiring kemajuan penelitian, 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.
2. Menskalakan perangkat keras quantum: Meskipun kuat, qubit juga cukup rawan kesalahan, membutuhkan sistem pendingin besar yang mampu menciptakan suhu 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.
3. Koreksi kesalahan quantum: Dekoherensi, proses di mana qubit gagal berfungsi dengan baik dan menghasilkan hasil yang tidak akurat, adalah rintangan utama bagi sistem quantum apa pun. Koreksi kesalahan quantum mengharuskan kita mengkodekan 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 masih ada tantangan yang tersisa untuk mengimplementasikan kode pengoreksi kesalahan quantum dan melakukan komputasi pada informasi quantum yang dikodekan, kode baru ini menandai jalur yang jelas 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 yang tangguh dan stabil demi pengembangan, pengoptimalan, dan pelaksanaan program kuantum. Sumber terbuka dan berbasis Python, Qiskit dari IBM® merupakan SDK quantum yang paling banyak digunakan di dunia. Qiskit dapat digunakan untuk menjalankan program, baik di komputer kuantum superkonduktor IBM® maupun di platform dengan teknologi lain, seperti ion terperangkap dalam medan magnet atau quantum annealing.
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.