Komputasi Kuantum Mencapai Percepatan Eksponensial Tanpa Syarat

Apa yang sebelumnya hanya diungkapkan di atas kertas, kini telah dibuktikan dalam tindakan. Janji komputasi kuantum telah tercapai dalam kenyataan, karena mereka mengalahkan komputer klasik secara eksponensial dan tanpa syarat¹.

Untuk ini, tim peneliti yang dipimpin oleh Daniel Lidar, seorang profesor Teknik Elektro & Komputasi di Sekolah Teknik USC Viterbi, menggunakan koreksi kesalahan yang cerdas dan prosesor 127-qubit IBM yang kuat yang memungkinkan mereka untuk melakukankle merupakan variasi dari masalah Simon, yang menunjukkan bahwa mesin kuantum kini terbebas dari keterbatasan klasik.

Bagaimana Komputasi Kuantum Mengatasi Batasan dan Kebisingan Klasik

Selama beberapa dekade, komputasi klasik telah menjadi norma. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, komputasi kuantum telah mengalami perkembangan yang signifikan. 

Bidang ilmu komputer yang sedang berkembang, komputasi kuantum memanfaatkan prinsip teori kuantum (yang menjelaskan sifat dan perilaku materi dan energi pada tingkat atom dan subatom) untuk meningkatkan kecepatan komputasi secara dramatis.

Dengan menggunakan fisika kuantum, komputasi kuantum bertujuan untuk memecahkan masalah yang terlalu rumit untuk komputer klasik yang kita gunakan sehari-hari. Faktanya, komputasi kuantum dapat memecahkan masalah simulasi rumit tertentu yang bahkan memerlukan waktu ratusan ribu tahun untuk menyelesaikan superkomputer tradisional.

Mencapai keunggulan algoritmik sejati atas komputer klasik merupakan salah satu tujuan utama komputasi kuantum untuk memungkinkan terobosan masa depan dalam bidang kimia, kriptografi, optimasi, dan bidang lainnya.

Namun, hal ini memerlukan perangkat keras dan algoritma komputasi kuantum khusus yang memanfaatkan sifat-sifat kuantum seperti superposisi dan keterikatan. Selain itu, gangguan merupakan masalah utama bagi komputer kuantum.

Lebih jauh lagi, membuktikan keunggulan algoritmik atas komputer klasik pada perangkat keras kuantum yang tidak sempurna dan bising saat ini tetap menjadi tantangan.

Para desainer sudah mulai mengeksplorasi solusi baru seperti mesin NISQ, namun perangkat kuantum skala menengah (NISQ) yang bising ini berfungsi pada skala yang relatif kecil dari beberapa ratus qubit.

Selain itu, mereka rentan mengalami penurunan kinerja karena dekoherensi (hilangnya koherensi kuantum, yang melibatkan hilangnya informasi suatu sistem ke lingkungannya) dan kesalahan kontrol. 

Jadi, fokusnya adalah pada percepatan kuantum algoritmik pada perangkat ini, yang merupakan keuntungan penskalaan. Meskipun beberapa demonstrasi semacam ini telah dilakukan, kompleksitas masalah yang dipilih di dalamnya bergantung pada tingkat kesulitan serangkaian algoritma klasik yang terbatas atau dugaan kompleksitas komputasional.

Baru-baru ini, percepatan kuantum algoritmik yang tidak bergantung pada asumsi yang belum terbukti ditunjukkan dalam model oracle. Hal ini ditunjukkan untuk algoritma Bernstein-Vazirani, yang diamati saat diterapkan pada prosesor IBM Quantum dengan menghilangkan gangguan yang tidak diinginkan melalui decoupling dinamis (DD), teknik penekanan kesalahan umum untuk perangkat NISQ. 

Kini, tim peneliti dari University of Southern California tengah mengatasi masalah kebisingan dengan menerapkan variasi masalah Simon. Ini adalah contoh terkenal di mana, secara teori, algoritma kuantum dapat menyelesaikan tugas secara eksponensial lebih cepat daripada algoritma klasik, tanpa syarat.

Masalah Simon adalah pendahulu algoritma Shor, yang dapat digunakan untuk meluncurkan bidang komputasi kuantum. 

Ini juga termasuk di antara masalah asli yang memiliki percepatan kuantum eksponensial yang terbukti, meskipun dalam model Oracle. Masalah ini memerlukan waktu eksponensial untuk dipecahkan pada komputer klasik, tetapi pada komputer kuantum tanpa gangguan, hanya dibutuhkan waktu linier, dengan asumsi kueri Oracle dihitung, tetapi kami tidak memperhitungkan sumber daya yang dihabiskan untuk mengeksekusinya.

Dalam soal ini, subgrup tersembunyi Abelian melibatkan identitas dan string rahasia b dengan tujuan menentukan b, jadi pada dasarnya menemukan pola berulang yang tersembunyi dalam fungsi matematika.

Secara sederhana, ini seperti permainan tebak-tebakan, di mana para pemain mencoba menebak sebuah nomor rahasia yang tidak diketahui oleh siapa pun kecuali penyelenggara permainan, alias “peramal”.

Angka suci terungkap setelah pemain menebak dua angka yang jawabannya sama dengan jawaban yang diberikan oleh peramal, dan pemain tersebut menang. Dibandingkan dengan pemain klasik, pemain kuantum dapat memenangkan permainan ini secara eksponensial lebih cepat. 

Mencapai Percepatan Kuantum Tanpa Syarat

Untuk benar-benar menemukan material baru, memecahkan kode, dan merancang obat-obatan baru dengan bantuan komputer kuantum dengan mempercepat komputasi, semuanya harus fungsional.

Namun, seperti yang telah kami catat di atas, gangguan atau kesalahan menjadi penghalang. Kesalahan yang dihasilkan selama komputasi pada mesin kuantum akhirnya membuat komputer kuantum menjadi kurang bertenaga dibandingkan komputer klasik. Itu terjadi hingga sekarang.

Lidar dari USC telah bekerja pada koreksi kesalahan kuantum dan telah menunjukkan keunggulan skala eksponensial kuantum dibandingkan cloud.

Hal ini dirinci dalam makalah, 'Demonstrasi Percepatan Kuantum Algoritmik untuk Masalah Subgrup Tersembunyi Abelian,' di mana Lidar bekerja sama dengan kolaborator dari USC dan Johns Hopkins.

"Sebelumnya telah ada demonstrasi jenis percepatan yang lebih sederhana seperti percepatan polinomial. Namun percepatan eksponensial adalah jenis percepatan paling dramatis yang kami harapkan dari komputer kuantum."

- lidar

Terobosan utama dalam komputasi kuantum, menurut Lidar, adalah menunjukkan bahwa kita benar-benar dapat menjalankan seluruh algoritme dengan kecepatan yang lebih tinggi dibandingkan dengan komputer umum. Namun, seperti yang dijelaskannya, itu tidak berarti Anda dapat melakukan berbagai hal 100x lebih cepat.

Namun, yang dimaksud dengan percepatan skala adalah, "Seiring bertambahnya ukuran masalah dengan memasukkan lebih banyak variabel, kesenjangan antara kinerja kuantum dan klasik akan terus membesar. Dan percepatan eksponensial berarti kesenjangan kinerja akan berlipat ganda untuk setiap variabel tambahan," jelas Lidar.

Ia kemudian menyatakan bahwa percepatan yang ditunjukkan timnya adalah “tanpa syarat.” Nah, maksudnya adalah bahwa percepatan tidak bergantung pada asumsi apa pun yang belum terbukti. 

Klaim percepatan sebelumnya membutuhkan asumsi bahwa tidak ada algoritma klasik yang lebih baik untuk dijadikan tolok ukur algoritma kuantum. 

Tim di sini menggunakan algoritma yang mereka modifikasi untuk komputer kuantum untuk memecahkan variasi “masalah Simon.”

Kini, untuk mencapai peningkatan kecepatan eksponensial, "kuncinya adalah memeras setiap ons kinerja dari perangkat keras: sirkuit yang lebih pendek, urutan pulsa yang lebih cerdas, dan mitigasi kesalahan statistik," kata penulis pertama Phattharaporn Singkanipa, yang merupakan peneliti doktoral USC.

Tim mencapai ini dengan empat cara berbeda. Para peneliti pertama-tama membatasi input data dengan membatasi jumlah bilangan rahasia yang diizinkan. Secara teknis, hal ini dilakukan dengan membatasi jumlah angka 1 dalam representasi biner dari himpunan bilangan rahasia. Hal ini menghasilkan lebih sedikit operasi logika kuantum daripada yang seharusnya, yang pada gilirannya mengurangi kemungkinan penumpukan kesalahan.

Kemudian mereka memampatkan operasi logika kuantum yang diperlukan melalui transpilasi, suatu proses penulisan ulang masukan yang diberikan agar sesuai dengan topologi perangkat kuantum tertentu.

Selanjutnya, metode yang disebut "dekopling dinamis" diterapkan dan memiliki dampak terbesar pada kemampuan peneliti untuk menunjukkan percepatan kuantum. Metode ini melibatkan penerapan rangkaian pulsa yang dirancang dengan cermat untuk memisahkan perilaku qubit dari lingkungannya yang bising dan menjaga pemrosesan kuantum tetap pada jalurnya.

Akhirnya, para peneliti menerapkan mitigasi kesalahan pengukuran (MEM) untuk menemukan dan mengoreksi kesalahan tertentu. Tujuan dari langkah ini adalah untuk memperbaiki kesalahan yang ditinggalkan oleh decoupling dinamis akibat ketidaksempurnaan dalam mengukur status qubit di akhir algoritma.

Membuka Jalan Menuju Utilitas Kuantum

Dengan komputasi kuantum yang menawarkan keuntungan signifikan dalam bidang-bidang seperti logistik, ilmu material, pemodelan keuangan, AI, dan keamanan siber dengan memanfaatkan fenomena mekanika kuantum untuk memecahkan masalah yang kompleks, pasar melihat kontribusi dan pertumbuhan yang signifikan.

Komunitas juga mulai menunjukkan bagaimana prosesor kuantum dapat mengungguli prosesor klasik dalam tugas yang ditargetkan.

"Hasil penelitian kami menunjukkan bahwa komputer kuantum saat ini sudah berada di pihak yang unggul dalam skala kuantum," ujar Lidar, yang juga seorang profesor Kimia dan Fisika di USC Dornsife College of Letters, Arts and Science, dan salah satu pendiri Quantum Elements, sebuah perusahaan yang merintis jalan menuju utilitas kuantum berskala besar dan menghubungkan pengguna dengan komputer kuantum.

Beberapa bulan yang lalu, tim Quantum Elements melaporkan² mencapai terobosan. Teknik baru mereka, decoupling dinamis logis, mengatasi kesalahan logis, tantangan konstan dalam komputasi kuantum.

Tim menunjukkan bagaimana jalur khusus ini mencegah kesalahan yang tidak dapat diatasi oleh kode koreksi kesalahan tradisional, sekaligus menjaga jejak qubit yang terbatas. 

Mereka menggabungkan koreksi kesalahan dengan pemisahan dinamis logis, yang memungkinkan tim meningkatkan kesetiaan qubit logis terjerat secara signifikan, sehingga aplikasi kuantum praktis semakin dekat untuk menjadi kenyataan.

Dengan penelitian terbaru, kata Lidar, “keunggulan kinerja kuantum menjadi semakin sulit untuk dibantah,” karena pemisahan kinerja tidak dapat dibalikkan karena percepatan eksponensial yang ditunjukkan bersifat “tanpa syarat.”

The belajar menunjukkan percepatan kuantum algoritmik yang tegas untuk versi Hamming-weight (HW) terbatas dari masalah tersebut menggunakan dua prosesor IBM Quantum yang berbeda. Para peneliti menemukan percepatan kuantum yang lebih baik ketika komputasi dilindungi oleh DD. Penggunaan MEM semakin meningkatkan keunggulan penskalaan.

MEM dan kopling dinamis digunakan untuk penekanan kesalahan dan dimodifikasi untuk mengadaptasi masalah tersebut pada perangkat kuantum nyata. Keduanya membantu mempertahankan koherensi kuantum dan meningkatkan akurasi meskipun ada keterbatasan perangkat keras. 

Melalui percobaan mereka, para peneliti telah membawa algoritma NISQ lebih dekat ke demonstrasi peningkatan kecepatan kuantum melalui algoritma Shor dan menyoroti peran utama teknik penekanan kesalahan kuantum dalam demonstrasi semacam itu.

Menurut para peneliti, menunjukkan percepatan eksponensial dalam memecahkan masalah pada perangkat keras kuantum yang sebenarnya merupakan "tonggak penting bagi bidang ini." Selain menjembatani kesenjangan antara teori dan praktik, hasil mereka juga menekankan peningkatan kemampuan prosesor kuantum saat ini. Studi tersebut mencatat:

“Seiring dengan terus meningkatnya perangkat keras, pendekatan kami membuka jalan bagi demonstrasi keunggulan kuantum yang lebih hebat lagi dalam waktu dekat.” 

Meski demikian, belum ada aplikasi praktis dari teknologi ini selain memenangkan permainan tebak-tebakan. Hal ini juga berlaku untuk kemajuan lain di bidang ini.

"Kita memerlukan momen ChatGPT untuk kuantum," kata Francesco Ricciuti, seorang rekanan di perusahaan VC Runa Capital, kepada CNBC pada bulan Desember ketika Google memperkenalkan chip baru yang disebutnya sebagai terobosan besar dalam komputasi kuantum.

Chip kuantum Google bernama Willow, yang memiliki 105 qubit dan dilaporkan dapat mengurangi kesalahan secara "eksponensial" seiring dengan peningkatan jumlah qubit. Hal ini "memecahkan tantangan utama dalam koreksi kesalahan kuantum yang telah diteliti di bidang ini selama hampir 30 tahun," ujar Hartmut Neven, pendiri Google Quantum AI.

Willow melakukan perhitungan yang membutuhkan waktu 10 septiliun tahun bagi superkomputer tercepat saat ini, dalam waktu kurang dari lima menit.

"Mereka mencoba mendefinisikan masalah yang sangat rumit untuk komputer biasa yang dapat mereka selesaikan dengan komputer kuantum. Sungguh menakjubkan bahwa mereka dapat melakukannya, tetapi itu tidak berarti itu berguna," kata Ricciuti saat itu.

Bahkan Google mengatakan bahwa benchmark RCS mereka “tidak memiliki aplikasi dunia nyata yang diketahui” dan “simulasi sistem kuantum yang menarik secara ilmiah,” yang telah mereka lakukan dan menghasilkan penemuan ilmiah baru juga “masih dalam jangkauan komputer klasik.”

Namun, raksasa teknologi ini tengah berupaya untuk melangkah ke ranah algoritma yang tidak hanya berada di luar jangkauan komputer klasik, tetapi juga "berguna untuk memecahkan masalah-masalah komersial yang nyata dan relevan."

Awal tahun ini, Julian Kelly, direktur perangkat keras di Google Quantum AI, mengatakan bahwa kita mungkin membutuhkan "sekitar lima tahun lagi dari terobosan nyata, semacam aplikasi praktis yang hanya dapat dipecahkan pada komputer kuantum."

CEO Nvidia Jensen Huang juga percaya komputasi kuantum dapat “memberikan dampak yang luar biasa,” tetapi mencatat bahwa teknologi tersebut “sangat rumit.”

Menurut Lidar, "masih banyak pekerjaan yang harus diselesaikan sebelum komputer kuantum dapat diklaim telah memecahkan masalah praktis di dunia nyata." Dan itu akan memerlukan percepatan yang tidak bergantung pada oracle yang mengetahui jawabannya terlebih dahulu. Selain itu, kita harus membuat kemajuan signifikan dalam metode untuk mengurangi dekoherensi dan gangguan lebih jauh. 

Namun, dengan menunjukkan peningkatan kecepatan eksponensial, yang sebelumnya hanya merupakan “janji di atas kertas” komputer kuantum, para peneliti telah mencapai tonggak penting yang patut dirayakan.

Berinvestasi dalam Teknologi Kuantum

Dengan komputer kuantum yang menandai lompatan maju yang besar dalam kemampuan komputasi, banyak laboratorium, universitas, perusahaan, dan lembaga pemerintah di seluruh dunia sedang mengembangkan teknologi komputasi kuantum. 

Jadi, ketika berbicara tentang peluang investasi, kita punya Amazon (AMZN ), Intel (INTC ), dan Microsoft (MSFT ) antara lain yang aktif mengeksplorasi ruang tersebut. Namun hari ini, kita akan melihat potensi investasi IBM (IBM ), pelopor perangkat keras kuantum. 

International Business Machines Corporation (IBM )

Prosesor 127-qubit IBM digunakan dalam eksperimen USC itu sendiri. Pada akhir November 2021, IBM pertama kali memperkenalkan prosesor ini, yang diberi nama Eagle, setelah prosesor 'Hummingbird' 65-qubit yang diluncurkan pada tahun 2020 dan prosesor 'Falcon' 27-qubit setahun sebelumnya.

USC sebenarnya adalah Pusat Inovasi Kuantum IBM, sementara Quantum Elements adalah perusahaan rintisan dalam Jaringan Kuantum IBM.

Untuk upaya yang terfokus di bidang tersebut, perusahaan memiliki platform khusus, IBM Quantum, yang bertujuan untuk membangun komputer kuantum skala besar pertama yang toleran terhadap kesalahan. Raksasa teknologi tersebut bertujuan untuk menghadirkan sistem yang secara akurat menjalankan 100 juta gerbang pada 200 qubit logis pada tahun 2029. Dengan sistem ini, IBM akan "membuka jalur pertama yang layak untuk mewujudkan kekuatan penuh komputasi kuantum."

IBM tengah membangun komputer kuantum bernama "Starling" di kampusnya di New York, dan komputer ini akan mendukung sirkuit yang terkoreksi kesalahan. Sesuai rencana, perusahaan ini juga berencana merilis prosesor IBM Quantum Nighthawk baru akhir tahun ini.

Bulan lalu, perusahaan itu memasang Quantum System Two di sebuah pusat penelitian di Jepang. Dan minggu ini, raksasa teknologi itu berpartisipasi dalam putaran pendanaan Qedma senilai $26 juta dengan CEO-nya yang berharap dapat menunjukkan tahun ini "dengan keyakinan bahwa keunggulan kuantum sudah ada." Qedma sudah tersedia melalui Katalog Fungsi Qiskit IBM, yang membuat kuantum dapat diakses oleh pengguna akhir.

Meskipun memimpin teknologi kuantum, perusahaan ini terutama dikenal karena keahliannya dalam bidang cloud, AI, dan konsultasi, yang disediakannya melalui segmen Perangkat Lunak, Konsultasi, dan Infrastruktur.

Jika kita melihat kinerja pasar IBM, saham perusahaan dengan kapitalisasi pasar $268.6 miliar ini saat penulisan diperdagangkan pada harga $289, naik 30.85% YTD. Saham IBM sedang mengalami masa-masa yang baik dengan harga naik 145% dalam tiga tahun terakhir karena mencapai titik tertinggi baru sementara perusahaan mempromosikan dirinya sebagai penyedia teknologi perusahaan generasi mendatang.

Perusahaan ini memiliki EPS (TTM) sebesar 5.85, P/E (TTM) sebesar 49.81, dan ROE (TTM) sebesar 21.95%. Sementara itu, imbal hasil dividen yang tersedia bagi pemegang saham adalah 2.31%.

Mengenai kinerja keuangannya, IBM melaporkan peningkatan pendapatan sebesar 1% menjadi $14.5 miliar untuk kuartal pertama tahun 2025. Margin laba kotor GAAP-nya adalah 55.2% dan margin laba kotor non-GAAP-nya adalah 56.6%. Kas bersih dari aktivitas operasi adalah $4.4 miliar, sedangkan arus kas bebas adalah $2 miliar.

CEO Arvind Krishna mengaitkan pendapatan, profitabilitas, dan arus kas bebas yang melampaui ekspektasi dengan "permintaan kuat untuk AI generatif," dengan IBM tetap "optimis terhadap peluang pertumbuhan jangka panjang untuk teknologi dan ekonomi global."

Berita dan Perkembangan Saham IBM Terbaru

Kesimpulan

Mendemonstrasikan percepatan kuantum algoritmik, yang berskala dengan ukuran masalah, adalah kunci untuk menetapkan kegunaan komputer kuantum. Jadi, demonstrasi percepatan eksponensial tanpa syarat menandai momen penting dalam komputasi kuantum, yang membuktikan bahwa perangkat masa kini dapat terbebas dari batasan klasik. 

Pencapaian oleh para peneliti ini secara signifikan memperluas cakupan percepatan kuantum untuk algoritma orakular, memperluas batas hasil keuntungan kuantum empiris, dan mengarah pada algoritma yang relevan secara praktis yang akhirnya dapat dicapai.

Secara keseluruhan, perjalanan komputer kuantum menuju aplikasi praktis sehari-hari masih terus berlangsung, dengan perbaikan berkelanjutan untuk membuka kekuatan penuh teknologi kuantum!

Klik di sini untuk daftar perusahaan komputasi kuantum teratas.

Studi yang dirujuk:

1. Singkanipa, P.; Kasatkin, V.; Zhou, Z.; Quiroz, G.; Lidar, DA Demonstrasi Percepatan Kuantum Algoritmik untuk Masalah Subgrup Tersembunyi Abelian. Fis. Pendeta X 2025, 15 (2), 021082. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.15.021082
2. Vezvaee, A.; Tripathi, V.; Morford-Oberst, M.; Butt, F.; Kasatkin, V.; Lidar, DA Demonstrasi Qubit Logika Terjerat Fidelitas Tinggi menggunakan Transmons. arXiv 2025, arXiv:2503.14472. https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.14472