Apa itu qubit?

Istilah “qubit” dikaitkan dengan fisikawan teoretis Amerika Benjamin Schumacher. Qubit umumnya, meskipun tidak seluruhnya, dibuat dengan memanipulasi dan mengukur partikel quantum (blok bangunan terkecil yang diketahui dari alam semesta fisik), seperti foton, elektron, ion yang terperangkap, sirkuit superkonduktor, dan atom.

Diaktifkan oleh sifat-sifat unik mekanika quantum, komputer quantum menggunakan qubit untuk menyimpan lebih banyak data daripada bit tradisional, sangat meningkatkan sistem kriptografi dan melakukan perhitungan yang sangat canggih yang akan memakan waktu ribuan tahun (atau tidak mungkin) untuk diselesaikan bahkan oleh superkomputer klasik.

Didukung oleh qubit, komputer quantum mungkin segera terbukti penting dalam mengatasi banyak tantangan terbesar umat manusia, termasuk kanker dan riset medis lainnya, perubahan iklim, machine learning dan kecerdasan buatan (AI).

Mewakili generasi berikutnya dalam daya komputasi, komputasi quantum menggunakan teknologi khusus—termasuk perangkat keras komputer dan algoritma yang memanfaatkan prinsip-prinsip mekanika quantum—untuk memecahkan masalah kompleks yang tidak dapat diselesaikan (atau tidak dapat diselesaikan dengan cukup cepat) oleh komputer klasik atau superkomputer.

Pertama kali diusulkan pada tahun 1980-an, pengembangan komputer quantum telah berjalan pesat dari teori murni ke aplikasi perangkat keras praktis. Saat ini, IBM® Quantum membuat perangkat keras quantum nyata—alat yang baru mulai dibayangkan para ilmuwan tiga dekade lalu—tersedia untuk ratusan ribu pengembang.

Ketika para fisikawan dan insinyur menghadapi masalah yang sulit, mereka mengandalkan superkomputer. Namun, superkomputer pun sebenarnya hanya mesin berbasis kode biner yang bergantung pada teknologi transistor abad ke-20, dan mereka harus berjuang untuk memecahkan masalah yang sangat kompleks.

Komputer klasik ini juga tunduk pada batasan material, seperti panas berlebih, sehingga membatasi kemampuannya untuk memproses informasi. Ada beberapa masalah yang kompleks, seperti pemodelan atom individu dalam molekul, yang tidak dapat diselesaikan dengan komputer klasik dengan skala apa pun.

Hukum mekanika quantum menentukan tatanan dunia alam. Dalam banyak situasi, komputer yang melakukan perhitungan menggunakan keadaan quantum dari bit quantum seharusnya menjadi alat terbaik kita untuk memahaminya dan memecahkan masalah yang paling kompleks.

Ketika mempelajari komputer quantum, penting untuk memahami bahwa mekanika quantum tidak seperti fisika tradisional. Menggambarkan perilaku partikel quantum menghadirkan tantangan yang unik, karena sebagian besar paradigma yang masuk akal untuk dunia alam tidak memiliki kosakata untuk memahami perilaku partikel quantum yang tampaknya berlawanan dengan intuisi.

Ada banyak jenis bit dan qubit yang berbeda, tetapi semua qubit harus mematuhi hukum fisika quantum dan dapat berada dalam superposisi quantum.

Bit klasik hanya bisa berada di posisi 0 atau posisi 1. Namun, qubit juga dapat menempati keadaan ketiga yang dikenal sebagai superposisi. Superposisi mewakili 0, 1, dan semua posisi di antaranya yang diambil sekaligus, dengan total tiga posisi terpisah.

Meskipun qubit dapat mengodekan tiga posisi terpisah, mereka masih digunakan untuk menyampaikan informasi melalui sistem biner. Dalam sistem seperti itu, istilah bit dapat merujuk pada bahan atau proses yang digunakan untuk mewakili 0 atau 1, atau pengukuran bit tersebut (yaitu 0 atau 1).

Dalam komputasi tradisional atau klasik, satu bit dapat dianggap sebagai sepotong informasi biner, dinotasikan sebagai 0 atau 1. Komputer modern biasanya menunjukkan bit baik sebagai tegangan listrik atau pulsa arus (atau dengan keadaan listrik dari sirkuit flip-flop).

Dalam sistem ini, ketika tidak ada arus yang mengalir, sirkuit dianggap mati dan keadaan ini ditunjukkan sebagai 0. Ketika arus mengalir, sirkuit dianggap hidup dan keadaan ini ditunjukkan sebagai 1.

Istilah "bit" sendiri merupakan singkatan kombinasi dari "binary digit", dan bit biner merupakan dasar dari semua komputasi. Baik merekam video digital, membuat animasi model 3D, atau menggunakan aplikasi kalkulator—semua data dari sistem operasi hingga perangkat lunak dibangun dari kode biner yang merupakan kumpulan bit.

Byte komputer terdiri atas delapan bit, yang merupakan jumlah bit minimum yang diperlukan untuk menyampaikan satu karakter tekstual dalam biner.

Bit dapat ditunjukkan secara elektrik, misalnya dengan menjalankan (atau tidak menjalankan) arus melalui chip silikon. Bit juga dapat ditunjukkan secara fisik, sebagai lubang atau tidak adanya lubang di selembar kertas, seperti yang digunakan dalam komputasi kartu berlubang zaman dulu.

Setiap sistem dua tingkat di mana keadaan sistem dapat dijelaskan hanya dalam satu dari dua posisi potensial (misalnya atas atau bawah, kiri atau kanan, aktif atau mati) dapat digunakan untuk mewakili bit.

Meskipun teknologi quantum menggunakan kode biner, data quantum yang berasal dari sistem quantum—seperti qubit—mengodekan data secara berbeda dari bit tradisional, dengan beberapa keuntungan yang luar biasa. Peneliti telah menetapkan berbagai cara untuk membuat qubit atau menggunakan sistem quantum alami sebagai qubit. Namun, dalam hampir semua kasus, komputer quantum memerlukan pendinginan yang ekstrem untuk mengisolasi qubit dan mencegah gangguan.

Secara teoretis, sistem quantum dua level apa pun dapat digunakan untuk membuat qubit. Sistem quantum digambarkan sebagai dua level ketika properti sistem tertentu dapat diukur dalam posisi biner, seperti atas atau bawah. Sistem quantum multilevel juga dapat digunakan untuk membuat qubit, selama dua aspek sistem tersebut dapat diisolasi secara efektif untuk menghasilkan pengukuran biner.

Sama seperti komputer tradisional yang dapat menggunakan berbagai jenis bit—seperti arus listrik, muatan listrik, atau dilubangi (atau tidak dilubangi) pada selembar kertas untuk komputasi kartu berlubang—komputer quantum dapat menggunakan berbagai jenis bit. Bit tertentu lebih cocok untuk fungsi tertentu, dan komputer quantum tingkat lanjut kemungkinan besar akan menggunakan kombinasi jenis bit untuk mencapai operasi yang berbeda.

Karena setiap bit dapat menunjukkan angka 0 atau 1, dengan memasangkan dua bit informasi, kita dapat membuat hingga empat kombinasi biner yang unik:

1. 00
2. 01
3. 10
4. 11

Sementara setiap bit dapat berupa 0 atau 1, satu qubit dapat berupa 0, 1, atau superposisi. Superposisi quantum dapat digambarkan sebagai 0 dan 1, atau sebagai semua keadaan yang mungkin antara 0 dan 1 karena sebenarnya mewakili probabilitas keadaan qubit.

Pada tingkat quantum, probabilitas qubit diukur sebagai fungsi gelombang. Amplitudo probabilitas sebuah qubit dapat digunakan untuk menyandikan lebih dari satu bit data dan melakukan perhitungan yang sangat rumit ketika digabungkan dengan qubit lainnya.

Saat memproses masalah yang kompleks, seperti memfaktorkan bilangan prima yang besar, bit tradisional menjadi terikat karena menampung informasi dalam jumlah besar. Bit quantum berperilaku berbeda. Karena qubit dapat menahan superposisi, komputer quantum yang menggunakan qubit dapat menghitung volume data yang jauh lebih besar.

Sebagai analogi yang berguna untuk memahami bit versus qubit, bayangkan Anda berdiri di tengah labirin yang rumit. Untuk keluar dari labirin, komputer tradisional harus menerapkan 'brite 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.

Sebagai perbandingan, komputer quantum mungkin, secara figuratif, memperoleh pandangan atas labirin secara sekaligus, menguji beberapa jalur secara bersamaan, dan mengungkapkan solusi yang benar. Namun, qubit tidak “menguji beberapa jalur” sekaligus. Sebaliknya, komputer quantum mengukur amplitudo probabilitas qubit untuk menentukan hasil.

Karena amplitudo ini berfungsi seperti gelombang, mereka juga tumpang tindih dan saling mengganggu. Ketika gelombang asinkron tumpang tindih, hal ini secara efektif menghilangkan kemungkinan solusi untuk masalah yang kompleks dan gelombang koheren yang direalisasikan menghadirkan solusinya.

Pertama kali digambarkan oleh Einstein sebagai "aksi menyeramkan di kejauhan," belitan quantum adalah fenomena di mana dua qubit (atau dua atau lebih partikel quantum) saling terkait sedemikian rupa sehingga keadaan satu partikel tidak dapat dijelaskan secara independen dari keadaan partikel lainnya, terlepas dari jarak di antara keduanya.

Ketika dua qubit terbelit, keduanya berada dalam superposisi sampai keduanya diukur. Setelah diamati, superposisi quantum keduanya runtuh dan qubit mana pun yang tidak diamati menunjukkan posisi yang berlawanan dengan yang diamati.

Sebagai contoh, jika setengah dari pasangan qubit yang terbelit diukur pada posisi 1, qubit lainnya dapat langsung diukur sebagai 0. Implikasi dari belitan quantum sangat luas karena pemahaman kita tentang fenomena ini terbatas. Cukuplah untuk mengatakan bahwa bit tradisional tidak dapat terbelit.

Dengan cara ini, qubit yang terbelit tampaknya dapat mentransfer informasi melintasi tahun cahaya secara instan, lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Meskipun qubit tidak benar-benar mentransfer data lebih cepat daripada cahaya, belitan quantum dapat meningkatkan kekuatan sirkuit quantum secara drastis.

Karena sistem quantum dua tingkat mana pun dapat digunakan untuk membuat qubit, ada banyak jenis qubit yang saat ini sedang dikembangkan oleh para peneliti—dan qubit tertentu lebih cocok untuk aplikasi tertentu.

Meski kuat, qubit sangat mudah berubah-ubah.Agar dapat berfungsi, qubit harus didinginkan hingga suhu hanya sepersekian derajat lebih tinggi dari nol mutlak, yang lebih dingin dari suhu luar angkasa.

Partikel quantum dikatakan memiliki koherensi ketika partikel tersebut cukup terkontrol untuk berfungsi sebagai qubit. Ketika kehilangan kemampuan ini, sebuah qubit digambarkan sebagai tidak koheren. Pendinginan bertenaga tinggi yang diperlukan untuk menciptakan kondisi koherensi untuk qubit fungsional merupakan tantangan utama untuk komputasi quantum.

Bahkan dalam kondisi terdingin sekalipun, sistem qubit umumnya juga rentan terhadap kegagalan yang disebabkan oleh keadaan tidak koheren. Untungnya, kemajuan dalam bidang koreksi kesalahan quantum algoritmik yang sedang berkembang memiliki potensi untuk menstabilkan sistem quantum yang sebelumnya lemah.