Quantum Computation

1. Definisi Komputer Kuantum

Dalam bahasa Indonesia yaitu komputer kuantum, merupakan komputer yang memanfaatkan fenomena-fenomena dari mekanika quantum, seperti quantum superposition dan quantum entanglement, yang digunakan untuk pengoperasian data.

Perhitungan jumlah data pada komputasi klasik dihitung dengan bit, sedangkan perhitungan jumlah data pada komputer kuantum dilakukan dengan qubit. Prinsip dasar komputer kuantum adalah bahwa sifat kuantum dari partikel dapat digunakan untuk mewakili data dan struktur data, dan bahwa mekanika kuantum dapat digunakan untuk melakukan operasi dengan data ini. Dalam hal ini untuk mengembangkan komputer dengan sistem kuantum diperlukan suatu logika baru yang sesuai dengan prinsip kuantum.

Komputer kuantum dapat jauh lebih cepat dari komputer konvensional pada banyak masalah, salah satunya yaitu masalah yang memiliki sifat berikut :

• Satu-satunya cara adalah menebak dan mengecek jawabannya berkali-kali
• Terdapat n jumlah jawaban yang mungkin
• Setiap kemungkinan jawaban membutuhkan waktu yang sama untuk mengeceknya
• Tidak ada petunjuk jawaban mana yang kemungkinan benarnya lebih besar: memberi jawaban dengan asal tidak berbeda dengan mengeceknya dengan urutan tertentu. 

2. Sejarah singkat
Ide mengenai komputer kuantum pertama kali muncul pada tahun 1970-an oleh para fisikawan dan ilmuwan komputer, seperti Charles H. Bennett dari IBM, Paul A. Benioff dari Argonne National Laboratory, Illinois, David Deutsch dari University of Oxford, dan Richard P. Feynman dari California Institute of Technology (Caltech). Di antara para ilmuwan tersebut, Feynmanlah yang pertama kali mengajukan model yang menunjukkan bahwa sebuah sistem kuantum dapat digunakan untuk melakukan komputasi. Lebih jauh, Feynman juga menunjukkan bagaimana sistem tersebut dapat menjadi simulator bagi fisika kuantum. Dengan kata lain, fisikawan dapat melakukan eksperimen fisika kuantum melalui komputer kuantum. Pada tahun 1985, Deutsch menyadari esensi dari komputasi oleh sebuah komputer kuantum dan menunjukkan bahwa semua proses fisika, secara prinsipil, dapat dimodelkan melalui komputer kuantum. Dengan demikian, komputer kuantum memiliki kemampuan yang melebihi komputer klasik. 
Setelah Deutsch mengeluarkan tulisannya mengenai komputer kuantum, para ilmuwan mulai melakukan riset di bidang ini. Mereka mulai mencari kemungkinan penggunaan dari sebuah komputer kuantum. Pada tahun 1995, Peter Shor merumuskan sebuah algoritma yang memungkinkan penggunaan komputer kuantum untuk memecahkan masalah faktorisasi dalam teori bilangan.Hingga saat ini, riset di bidang komputer kuantum terus dijalankan di seluruh dunia. Beberapa kendala terus dicari pernyelesaiannya. Berbagai metode dikembangkan untuk memungkinkan terwujudnya sebuah komputer yang memilki kemampuan yang luar biasa ini. Sejauh ini, sebuah komputer kuantum yang telah dibangun hanya dapat mencapai kemampuan untuk memfaktorkan dua digit bilangan. Komputer kuantum ini dibangun pada tahun 1998 di Los Alamos, Amerika Serikat, menggunakan NMR (Nuclear Magnetic Resonance).
Saat ini pihak google sudah melakukan percobaan dan pembuatan tentang computer kuantum ini. Google meneraplan Algoritma yang sama telah diterapkan pada produk lab Google yakni Google Image Swirl dimana secara cerdas komputer bisa menentukan dan mengelompokkan mana gambar mobil Jaguar dengan nama gambar binatang Jaguar. Atau misalnya mana kelompok gambar buah Apel dengan kelompok gambar komputer apple. Ini adalah salah satu contoh pengembangan computer kuantum yang dibuat google.

3. Entanglement

Quantum entanglement adalah efek mekanik kuantum yang mengaburkan jarak antara partikel individual sehingga sulit menggambarkan partikel tersebut terpisah meski Anda berusaha memindahkan mereka. Entanglement juga merupakan esensi komputasi kuantum karena ini adalah jalinan kualitas yang berhubungan dengan lebih banyak informasi dalam bit kuantum dibanding dengan bit komputing klasik.

Quantum entanglement terjadi ketika partikel seperti foton, elektron, molekul besar seperti buckyballs, dan bahkan berlian kecil berinteraksi secara fisik dan kemudian terpisahkan; jenis interaksi adalah sedemikian rupa sehingga setiap anggota yang dihasilkan dari pasangan benar dijelaskan oleh kuantum mekanik deskripsi yang sama (keadaan yang sama), yang terbatas dalam hal faktor penting seperti posisi, momentum, perputaran, polarisasi.

4. Perbedaan Komputer Kuantum Dengan Komputer Klasik

Memori komputer klasik merupakan string dari 0s dan 1s, dan ia mampu melakukan perhitungan hanya pada sekumpulan bilangan secara simultan. Memori komputer kuantum merupakan sebuah keadaan kuantum yang merupakan superposisi dari bilangan-bilangan yang berbeda. Sebuah komputer kuantum dapat melakukan perhitungan klasik reversible secara bebas pada semua bilangan secara bersamaan. Pelaksanaan sebuah komputasi pada bilangan yang berbeda pada saat yang sama dan kemudian penginterferesian semua hasil untuk mendapatkan satu jawaban, menjadikan sebuah komputer kuantum jauh lebih kuat daripada komputer klasik (West, 2000).
Sepanjang sejarah komputasi, bit tetap merupakan unit komputasi dasar informasi. Mekanika kuantum memungkinkan pengkodean informasi dalam bit kuantum (qubit). Tidak seperti bit klasik, yang hanya bisa menyimpan nilai tunggal - baik 0 atau 1 - qubit dapat menyimpan baik 0 dan 1 pada saat yang sama. Selanjutnya, register kuantum 64 qubit dapat menyimpan nilai 264 sekaligus. Komputer Kuantum dapat melakukan perhitungan pada semua nilai-nilai ini pada saat yang sama. Namun, penggalian hasil dari perhitungan paralel masif telah terbukti sulit, membatasi jumlah aplikasi yang telah menunjukkan peningkatan kecepatan yang signifikan dibandingkan komputasi klasik. Paralelisme klasik juga dapat meningkatkan jumlah nilai yang ditangani secara bersamaan, tapi lama sebelum mencapai jumlah paralelisme yang dicapai oleh sebuah komputer kuantum, sebuah sistem klasik kehabisan ruang. Untuk sistem klasik, jumlah paralelisme meningkat dalam proporsi langsung dengan ukuran sistem.

5. Pengoperasian Data Qubit

Komputer kuantum memelihara urutan qubit. Sebuah qubit tunggal dapat mewakili satu, nol, atau, penting, setiap superposisi quantum ini, apalagi sepasang qubit dapat dalam superposisi kuantum dari 4 negara, dan tiga qubit dalam superposisi dari 8. Secara umum komputer kuantum dengan qubit n bisa dalam superposisi sewenang-wenang hingga 2 n negara bagian yang berbeda secara bersamaan (ini dibandingkan dengan komputer normal yang hanya dapat di salah satu negara n 2 pada satu waktu). Komputer kuantum yang beroperasi dengan memanipulasi qubit dengan urutan tetap gerbang logika quantum. Urutan gerbang untuk diterapkan disebut algoritma quantum.

Sebuah contoh dari implementasi qubit untuk komputer kuantum bisa mulai dengan menggunakan partikel dengan dua putaran menyatakan: “down” dan “up”. Namun pada kenyataannya sistem yang memiliki suatu diamati dalam jumlah yang akan kekal dalam waktu evolusi dan seperti bahwa A memiliki setidaknya dua diskrit dan cukup spasi berturut-turut eigen nilai , adalah kandidat yang cocok untuk menerapkan sebuah qubit. Hal ini benar karena setiap sistem tersebut dapat dipetakan ke yang efektif spin -1/2 sistem.

5. Algoritma pada Quantum Computing

Para ilmuwan mulai melakukan riset mengenai sistem kuantum tersebut, mereka juga berusaha untuk menemukan logika yang sesuai dengan sistem tersebut. Sampai saat ini telah dikemukaan dua algoritma baru yang bisa digunakan dalam sistem kuantum yaitu algoritma shor dan algoritma grover.

Algoritma Shor

Algoritma Shor merupakan sebuah algoritma kuantum yang efisien bisa menguraikan pada pengali jumlah besar. Algortima ini merupakan pusat pada sistem yang menggunakan teori bilangan untuk memperkirakan periodisitas dari urutan nomor. Ditemukan oleh Peter Shor. Algortima ini di perbaharui oleh Lov Grover dari Bell Labs pada tahun 1996, dengan algoritma yang sangat cepat dan terbukti menjadi yang tercepat mungkin untuk mencari melalui database tidak terstruktur.

Algoritma ini sangat efisien sehingga hanya membutuhkan rata-rata, sekitar akar N persegi  pencarian untuk menemukan hasil yang diinginkan, sebagai lawan pencarian dalam komputasi klasik, yang pada kebutuhan rata-rata N / 2 pencarian. N adalah jumlah total elemen.

Algoritma Shor didasarkan dari sebuah teori bilangan: fungsi F(a) = xamod n adalah feungsi periodik jika x adalah bilangan bulat yang relatif prima dengan n. Dalam Algoritma Shor, n akan menjadi bilangan bulat yang hendak difaktorkan. Pada masalah ini algoritma quantum shor memanfaatkan pararellisme quantum untuk melakukannya hanya dengan satu langkah. Karena F(A) adalah fungsi periodik, maka fungsi ini memiliki sebuah periode r. Diketahui x0mod n = 1, maka xr mod n =1, begitu juga x2r mod n dan seterusnya. 

Algoritma Grover

Algoritma Grover adalah sebuah algoritma kuantum untuk mencari database disortir dengan entri N di O ( N1 / 2 ) waktu dan menggunakan O ( log N ) ruang penyimpanan (lihat notasi O besar ) . Lov Grover dirumuskan itu pada tahun 1996 . Dalam model komputasi klasik , mencari database unsorted tidak dapat dilakukan dalam waktu kurang dari waktu linier (jadi hanya mencari melalui setiap item optimal ) .

Algoritma Grover menggambarkan bahwa dalam model kuantum pencarian dapat dilakukan lebih cepat dari ini ; sebenarnya waktu kompleksitas O ( N1 / 2 ) adalah asimtotik tercepat mungkin untuk mencari database unsorted dalam model kuantum linear . Ini menyediakan percepatan kuadrat , seperti algoritma kuantum lainnya , yang dapat memberikan percepatan eksponensial atas rekan-rekan mereka klasik . Namun, bahkan percepatan kuadrat cukup besar ketika N besar .

Seperti banyak algoritma kuantum , algoritma Grover adalah probabilistik dalam arti bahwa ia memberikan jawaban yang benar dengan probabilitas tinggi . Kemungkinan kegagalan dapat dikurangi dengan mengulangi algoritma. (Sebuah Contoh Bahasa dari algoritma kuantum deterministik adalah algoritma Deutsch - Jozsa , Yang Selalu menghasilkan jawaban Yang BENAR).

6. Implementasi Quantum Computing

Pada 19 Nov 2013 Lockheed Martin, NASA dan Google semua memiliki satu misi yang sama yaitu mereka semua membuat komputer kuantum sendiri. Komputer kuantum ini adalah superkonduktor chip yang dirancang oleh sistem D – gelombang dan yang dibuat di NASA Jet Propulsion Laboratories.

NASA dan Google berbagi sebuah komputer kuantum untuk digunakan di Quantum Artificial Intelligence Lab menggunakan 512 qubit D -Wave Two yang akan digunakan untuk penelitian pembelajaran mesin yang membantu dalam menggunakan jaringan syaraf tiruan untuk mencari set data astronomi planet ekstrasurya dan untuk meningkatkan efisiensi searchs internet dengan menggunakan AI metaheuristik di search engine heuristical. 

A.I. seperti metaheuristik dapat menyerupai masalah optimisasi global mirip dengan masalah klasik seperti pedagang keliling, koloni semut atau optimasi swarm, yang dapat menavigasi melalui database seperti labirin. Menggunakan partikel terjerat sebagai qubit, algoritma ini bisa dinavigasi jauh lebih cepat daripada komputer konvensional dan dengan lebih banyak variabel. 

Penggunaan metaheuristik canggih pada fungsi heuristical lebih rendah dapat melihat simulasi komputer yang dapat memilih sub rutinitas tertentu pada komputer sendiri untuk memecahkan masalah dengan cara yang benar-benar cerdas . Dengan cara ini mesin akan jauh lebih mudah beradaptasi terhadap perubahan data indrawi dan akan mampu berfungsi dengan jauh lebih otomatisasi daripada yang mungkin dengan komputer normal.
Selain itu, dimungkinkan untuk menggunakan metaheuristik untuk melakukan koreksi kesalahan pada perangkat lunak menggunakan jaringan syaraf tiruan dengan membandingkan pemecahan sebuah komputer kuantum dengan perangkat lunak program reguler dari komputer biasa masalah dioptimalkan. Karena komputer biasa tidak kuantum mekanik, mereka harus diprogram klasik. Namun, dengan menggunakan metaheuristik kuantum dimungkinkan untuk melakukan optimasi masalah menggunakan kecerdasan buatan pada sebuah komputer kuantum dan kemudian dibandingkan dengan arsitektur baris perintah dalam software konvensional pada komputer klasik , yang mungkin terlalu rumit untuk memodifikasi atau untuk memeriksa untuk kesalahan menggunakan perangkat lunak insinyur manusia.

Berikut merupakan vidio penjelasan tentang Quantum Computing :

Sumber:
http://mamz.weebly.com/quantum-computation.html
http://ilmuti.org/wp-content/uploads/2014/05/Thiofany_Angelius_Dachi_Komputer_Kuantun.pdf
http://thesaprol.blogspot.co.id/2014/05/quantum-computing.html