Status Terkini Komputasi Kuantum

Komputasi Kuantum Berbeda

Komputasi kuantum adalah gagasan menggunakan fisika kuantum untuk melakukan perhitungan, yang berbeda dari metode komputasi berbasis semikonduktor biasa. Alih-alih menghasilkan 0 dan 1 (tidak ada arus atau arus), ia menggunakan “bit kuantum,” yang disebut qubit, di mana data partikel dapat menjadi 0 DAN 1 sekaligus, atau 1, atau 0.

Karena perbedaan mendasar dalam cara perhitungannya, komputasi kuantum bukanlah sekadar alternatif bagi komputasi “normal” melainkan lebih sebagai pelengkap.

Komputasi standar bekerja secara linear dan kesulitan dengan perhitungan yang sangat kompleks, seperti pemodelan iklim, kriptografi, atau konfigurasi 3D molekul kompleks seperti protein. Dan inilah jenis perhitungan yang diharapkan dapat dikuasai oleh komputasi kuantum.

Jadi, meskipun laptop dan smartphone kita kemungkinan tidak akan pernah menjadi komputer kuantum, mereka dapat merevolusi penelitian ilmiah.

Komputasi Kuantum Sulit

Jadi, dengan janji bahwa superkomputer kuantum akan beroperasi seribu kali lebih baik daripada yang ada saat ini, tidak mengherankan bahwa banyak penelitian telah dilakukan untuk mewujudkannya.

Tetapi masalahnya adalah bahwa menciptakan bahkan satu qubit saja secara teknis sangat sulit. Kesulitan pertama adalah bahwa komputasi kuantum hanya berfungsi pada suhu ultra‑rendah, sekitar seratus derajat di atas nol mutlak. Hanya dalam kondisi ini beberapa material unik berubah menjadi superkonduktor (material tanpa resistansi listrik). Hal ini memakan banyak energi, mahal, dan sulit dicapai.

Selanjutnya, mengendalikan, memanipulasi, dan “membaca” data dalam sebuah qubit juga kompleks, biasanya melibatkan laser ultra‑presisi, mikroskop atom, dan sensor. Akhirnya, gangguan apa pun akan membuat qubit tidak berguna, sehingga diperlukan vakum sempurna.

Sementara chip semikonduktor memanipulasi materi pada skala yang hanya mengukur beberapa atom, komputasi kuantum berupaya menangani materi pada skala partikel. Secara khusus, komputer kuantum praktis akan membutuhkan ribuan qubit agar tetap stabil dan dapat berinteraksi satu sama lain.

Komputasi Kuantum Berkembang

Melewati Ambang 1.000 Qubit

Sebuah tim yang dipimpin oleh Profesor Gerhard Birkl dari grup riset “Atoms – Photons – Quanta” di Departemen Fisika TU Darmstadt di Jerman baru saja menciptakan komputer kuantum terbesar hingga kini.

Mereka telah menciptakan komputer kuantum dengan 1.000 qubit atom yang dapat dikendalikan secara individual, memenangkan perlombaan di bidang ini melawan banyak tim ilmiah lainnya.

Sumber: Optica

Tanda 1.000 sebagian bersifat simbolis namun juga mendekati angka yang diperkirakan diperlukan untuk aplikasi bermakna komputer kuantum. Di bawah angka itu, mereka lebih merupakan rasa ingin tahu ilmiah dan ide menjanjikan, tetapi tidak banyak lebih.

Teknik ini menggunakan “penjepit optik,” yaitu laser khusus yang dapat memanipulasi atom secara individual. Berkat kemajuan dalam mikro‑optik, ini menjadi teknik paling menjanjikan dalam komputasi kuantum untuk metode yang dapat diskalakan guna membangun sistem yang jauh lebih besar.

Sumber: Optica

“Karena jumlah lenslet per sentimeter persegi dengan mudah mencapai 100.000 dan wafer MLA dengan area beberapa ratus sentimeter persegi dapat diproduksi, mereka memiliki potensi luar biasa dalam hal skalabilitas, hanya dibatasi oleh daya laser yang tersedia”

Dengan menyempurnakan penggunaan penjepit optik tersebut, Prof. Birkl telah menunjukkan bahwa komputer kuantum besar, dengan ribuan qubit, dapat direkayasa. Hal ini pada gilirannya akan memberikan alat penting bagi peneliti lain untuk melakukan perhitungan kuantum.

Simulator Kuantum untuk Memecahkan Fisika

Banyak masalah yang dihadapi fisikawan saat ini terkait perilaku partikel pada skala kuantum, atau setidaknya ketika lebih dari 30 partikel disimulasikan. Ini menjadi masalah karena sistem komputasi biasa kesulitan menangani perilaku probabilistik partikel dan fisika kuantum secara umum.

Untuk mengatasi masalah ini, situasi ideal adalah mengembangkan sebuah “simulator kuantum” di mana qubit dapat mensimulasikan perilaku partikel kuantum. Hal ini karena qubit menggunakan sendiri properti kuantum entanglement dan superposisi, yang sangat sulit disimulasikan pada komputer biasa.

Walaupun simulator kuantum pada dasarnya merupakan tipe khusus komputer kuantum, tantangannya sejauh ini adalah membuatnya mampu mensimulasikan banyak partikel berbeda tanpa harus merancang simulator kuantum khusus untuk setiap pertanyaan fisik tertentu.

Natalia Chepiga dan grup risetnya, asisten profesor di Universitas Teknologi Delft di Belanda, mungkin telah menemukan solusinya.

Ia mengusulkan protokol yang menciptakan simulator kuantum yang sepenuhnya dapat dikendalikan dalam sebuah makalah yang dipublikasikan di Physical Review Letters. Metode ini bekerja dengan menggunakan dua laser dengan frekuensi atau warna berbeda, menambahkan dimensi ekstra pada perhitungan. Secara teoritis, metode ini dapat diperluas untuk menambah lebih dari 2 dimensi pada kalkulus simulator kuantum.

Sumber: TU Delft

Jenis simulator kuantum ini dapat menjadi dorongan besar bagi banyak upaya riset di ujung pengetahuan kita saat ini, termasuk fisika ultra‑dingin (termasuk superkonduktor), semikonduktor, ilmu material, telekomunikasi, dan teknologi energi (terutama baterai).

QuDits daripada QuBits

Sebagian besar desain komputasi kuantum berfokus pada qubit, dan berusaha membuatnya lebih mudah dimanipulasi/diprogram serta menambah jumlahnya. Alternatifnya adalah menggunakan digit kuantum, atau “qudit.”

“Sebuah komputer kuantum dengan x qubit dapat melakukan 2^x perhitungan. Namun, mesin dengan x qudit, dengan D mewakili jumlah keadaan per qudit, dapat melakukan D^x perhitungan.

Ini berarti Anda dapat mengkodekan informasi yang sama dalam lebih sedikit partikel kuantum ketika menggunakan qudit,”

Martin Ringbauer, fisikawan kuantum di Universitas Innsbruck, Austria di IEEE Spectrum

Dengan istilah yang lebih sederhana, semakin banyak dimensi D pada sistem komputasi kuantum, semakin eksponensial kekuatannya. Selain perhitungan yang lebih efisien menggunakan qudit daripada qubit, qudit diperkirakan lebih dapat diandalkan dan kurang rawan menghasilkan kesalahan perhitungan dibandingkan qubit.

Jadi, ini berita besar bahwa sekelompok peneliti yang dipimpin oleh Andrea Morello di UNSW di Australia telah menciptakan sistem komputasi qudit 16‑dimensi yang sangat dapat dikendalikan. Dengan D=16, setiap penambahan qudit ke sistem meningkatkan kapasitas komputasi sebesar pangkat 16.

Untuk mencapainya, mereka menggunakan atom donor 123Sb (antimoni), yang di‑ion‑implantasi dalam perangkat nanoelektronik silikon.

“Ruang Hilbert gabungan atom mencakup 16 dimensi, dan dapat diakses menggunakan medan kontrol listrik dan magnetik. Andrea Morello”

Sistem ini mencapai hasil luar biasa; khususnya, “spin nuklir sudah menunjukkan fidelitas gerbang melebihi 99 % terlepas dari mekanisme penggeraknya”. Atom antimoni juga merupakan perbaikan dibandingkan 31P (fosfor) yang sebelumnya dipakai, karena antimoni lebih berat dan lebih mudah dimanipulasi.

Pencapaian teknis dan ilmiah ini terus ditingkatkan, terutama dengan menggunakan 28Si (silikon) yang dipurifikasi isotopik, menghilangkan konsentrasi residual 29Si, serta meningkatkan keandalan sistem (waktu koherensi dan fidelitas gerbang).

Status Pengembangan Komputasi Kuantum

Bidang ini masih sangat muda, dengan konsep‑konsep baru terus muncul, seperti qudit yang dapat digunakan atau simulator kuantum yang dapat diprogram.

Dipadukan dengan kemajuan dalam menciptakan sistem 1.000+ qubit, ini menunjukkan bahwa komputasi kuantum kemungkinan akan menjadi bidang ilmiah yang sangat penting dalam beberapa dekade mendatang, dengan potensi besar yang belum tergali.

Saat ini, riset dalam ilmu material atau biokimia didorong oleh AI, sesuatu yang kami bahas dalam artikel kami “Industri Disruptif Berkumpul di Sekitar Teknologi Inti – Kecerdasan Buatan (AI).”

Tetapi dalam 5‑10 tahun ke depan, kita mungkin mulai melihat hasil praktis dari perhitungan komputasi kuantum. Perangkat keras kini beralih dari eksperimen pemikiran dan demonstrator laboratorium ke prototipe komputer riset komersial.

Langkah selanjutnya adalah mengembangkan perangkat lunak yang dapat memaksimalkan potensi komputasi kuantum—dan mulai memproduksi komputer kuantum berskala untuk menurunkan biaya serta menyediakan beberapa standar.

Jadi, dalam banyak hal, komputasi kuantum berada pada tahap di mana komputer mainframe komersial pertama muncul pada 1950‑an dan 1960‑an sebelum menjadi alat bisnis dan riset umum pada dekade-dekade berikutnya.

Aplikasi Komputasi Kuantum

Meskipun sulit diprediksi sepenuhnya, kami sudah mengetahui beberapa segmen yang akan sangat diuntungkan ketika komputasi kuantum menjadi lebih tersedia:

• Modeling biokimia: dari menentukan bentuk 3D protein hingga ekspresi gen, perhitungan molekul biologis kompleks hingga atom dapat merevolusi riset bioteknologi.
• Modeling iklim: Model iklim sangat kompleks dan menekan batas kemampuan superkomputer saat ini. Pemahaman iklim yang lebih baik dengan skala perhitungan yang lebih halus baik secara geografis maupun temporal dapat membantu memahami risiko perubahan iklim.
• Semikonduktor: Komputer kuantum dapat digunakan untuk membuat chip komputer biasa jauh lebih kuat. Dengan chip “normal” kini mencapai skala nanometer, fenomena kuantum menjadi semakin bermasalah, dan komputer kuantum mungkin diperlukan untuk menyelesaikannya.
• Ilmu material: Memahami fisika kuantum lebih baik dan reaksi material hingga atom individu dapat membuka desain baru untuk material yang digunakan di dirgantara, baterai, pencetakan 3D, manufaktur, dll.
• Kriptografi: Komputer kuantum berpotensi membuat semua metode kriptografi saat ini usang. Ini menjadi kekhawatiran serius bagi militer, keuangan & sistem TI. Namun pada saat yang sama, hal ini dapat membuat kriptografi menjadi lebih aman.

Saham Komputasi Kuantum

1. International Business Machines Corporation

(IBM )

International Business Machines Corporation (IBM) adalah kekuatan utama di balik komersialisasi komputer mainframe pertama. Namun, perusahaan ini telah tertinggal di belakang raksasa teknologi lain seperti Apple, TSMC, dan NVIDIA.

Namun, IBM berada di garis depan pengembangan komputer kuantum. Misalnya, mereka mengembangkan komputer kuantum 127‑qubit “Eagle”, yang diikuti oleh sistem 433‑qubit yang dikenal sebagai “Osprey”.

Dan kini diikuti oleh “Condor”, prosesor kuantum superkonduktor 1.121 qubit berbasis teknologi gerbang cross‑resonance, bersama dengan “Heron”, prosesor kuantum di ujung bidang.

Akhirnya, IBM merilis Qiskit 1.0 pada Februari 2024, SDK komputasi kuantum paling populer, dengan perbaikan dalam konstruksi sirkuit, waktu kompilasi, dan konsumsi memori dibandingkan rilis sebelumnya.

Ke depan, IBM telah mengumumkan tujuan utama berikutnya dalam antisipasi bahwa chip kuantum mereka saat ini akan “melampaui” infrastruktur yang saat ini digunakan. Tujuan ini dikenal sebagai ‘IBM Quantum System Two’; sebuah sistem modular yang berpotensi mendukung hingga 16.632 qubit.

Kekuatan IBM selalu terletak pada pengembangan superkomputer ultra‑kuat sejak awal, sebuah segmen pasar yang terpinggirkan oleh kebangkitan elektronik konsumen dan chip standar. Munculnya komputasi kuantum menjadi kesempatan bagi IBM untuk bersinar kembali dan menjadi pemimpin dalam segmen penting yang akan datang ini untuk riset ilmiah serta kebutuhan komputasi korporasi besar.

2. Microsoft Corporation

Sudah menjadi pemimpin dalam layanan cloud “normal”, Microsoft adalah pionir dalam menawarkan layanan cloud komputasi kuantum dengan Azure Quantum. Sangat mungkin bahwa sebagian besar komputasi kuantum di masa depan akan dilakukan oleh peneliti “dari jarak jauh”, mengandalkan layanan cloud seperti milik Microsoft, alih‑alih mengakses komputer kuantum mereka secara langsung.

Hal ini terutama masuk akal karena, pada akhirnya, kebanyakan aplikasi komputasi kuantum akan diteliti oleh ahli bio‑kimia, ilmu material, ilmuwan iklim, dan spesialis lain yang tidak memiliki latar belakang khusus dalam komputasi kuantum. Jadi mengandalkan profesional khusus di perusahaan seperti IBM, Microsoft, atau Google untuk menangani bagian komputasi lebih masuk akal daripada melatih atau mempekerjakan orang yang tidak familiar dengan bidang ini.

Layanan ini juga dapat menawarkan “komputasi hibrida”, menggabungkan komputasi kuantum dengan layanan superkomputer cloud tradisional.

Sumber: Microsoft

Alih‑alih dari integrasi vertikal, pendekatan Microsoft terhadap komputasi kuantum adalah membangun kemitraan dengan pemimpin di bidang yang mencakup hampir semua teknologi yang memungkinkan komputasi kuantum, seperti IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT), dan Rigetti (RGTI).

Sumber: Microsoft

Komputasi kuantum bukanlah inti bisnis Microsoft, setidaknya untuk saat ini. Namun, perusahaan ini tetap menjadi aktor sentral di sektor tersebut dan mungkin menjadi pilihan saham yang “lebih aman” dibandingkan membeli saham langsung dari mitra komputasi kuantum mereka yang diperdagangkan secara publik, seperti QCI atau Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google sangat aktif dalam komputasi kuantum, terutama melalui laboratorium Google Quantum AI dan kampus Quantum AI di Santa Barbara.

Komputer kuantum Google mencetak sejarah pada 2019 ketika Google mengklaim telah mencapai “keunggulan kuantum” dengan mesin Sycamore, melakukan perhitungan dalam 200 detik yang akan memakan 10.000 tahun pada superkomputer konvensional.

Tetapi mungkin kontribusi terbesar Google terletak pada perangkat lunak, sebuah bidang di mana mereka memiliki rekam jejak jauh lebih baik daripada perangkat keras (pencarian, G Suite, Android, dll.). Saat ini, Quantum AI Google menyediakan rangkaian perangkat lunak yang dirancang untuk membantu ilmuwan mengembangkan algoritma kuantum.

Google kemungkinan akan menjadi salah satu perusahaan yang menetapkan standar perangkat lunak & pemrograman komputasi kuantum, memberikan posisi istimewa dalam mengarahkan evolusi bidang ini di masa depan.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum adalah hasil penggabungan Honeywell Quantum Solutions dan Cambridge Quantum (dan, seperti disebutkan, mitra komputasi cloud kuantum Microsoft).

Quantinuum tampaknya, untuk saat ini, fokus pada segmen yang kurang dieksplorasi oleh sistem komputasi kuantum lain, khususnya analisis keuangan dan rantai pasokan, melalui mesin Quantum Monte Carlo Integration (QMCI) yang diluncurkan pada September 2023.

QMCI diterapkan pada masalah yang tidak memiliki solusi analitik, seperti penetapan harga derivatif keuangan atau simulasi hasil eksperimen fisika partikel berenergi tinggi, dan menjanjikan kemajuan komputasi di bidang bisnis, energi, logistik rantai pasokan, dan sektor lainnya.

Seperti pada Microsoft, komputasi kuantum bukanlah bagian utama bisnis Honeywell, yang lebih berfokus pada produk di bidang dirgantara, otomasi, serta bahan kimia & material khusus.

Namun, mengingat setiap segmen bisnis ini dapat memperoleh manfaat dari komputasi kuantum, tidak sulit melihat kasus bisnis bagi Honeywell untuk terlibat.

Jadi hal ini menjadikan Honeywell baik sebagai penyedia layanan komputasi kuantum maupun sebagai salah satu perusahaan yang dapat memperoleh keuntungan dari penerapan komputer kuantum pada kasus bisnis nyata, sesuatu yang integrasi Quantinuum ke dalam grup diharapkan dapat percepat dibandingkan pesaing industri mereka.

5. Intel

Intel adalah produsen chip utama dan tampaknya berusaha memanfaatkan kekuatan ini ke arena komputasi kuantum.

Baru‑baru ini mereka merilis “Tunnel Falls”, “chip qubit spin silikon paling maju”. Yang menonjol adalah bahwa ini bukan prototipe melainkan chip yang diproduksi secara massal, dengan tingkat hasil 95 % di seluruh wafer dan keseragaman tegangan. Ini membuka jalan bagi produksi massal chip komputasi kuantum, sesuatu yang selama ini masih sulit dicapai dalam industri yang masih baru dan cepat berubah.

Sumber: Intel

Setia pada akarnya, Intel juga mengembangkan perangkat lunak untuk memanfaatkan chip‑nya, dengan merilis Intel Quantum SDK. SDK ini memberikan panduan bagi programmer untuk mengembangkan perangkat lunak komputasi kuantum yang kompatibel dengan desain chip kuantum Intel, yang secara historis menjadi keunggulan kompetitif yang sangat kuat & menguntungkan bagi bisnis chip konvensional Intel.

Sumber: Intel

Kedatangan produksi chip kuantum yang dapat diskalakan dapat menjadi revolusioner bagi industri sebagaimana terobosan ilmiah teknis lainnya, menurunkan biaya, serta menetapkan standar pemrograman dan arsitektur chip yang umum.

Intel adalah perusahaan yang mengetahui dari pengalaman betapa kuatnya pengaruh ini dalam industri komputasi, masih memanfaatkan jejak inovasi dan paten mereka sejak 1960‑an.

6. Defiance Quantum ETF

Sektor komputasi kuantum masih sangat muda. Selama ini, sebagian besar dikuasai oleh korporasi teknologi besar dengan kantong cukup dalam untuk membiayai miliaran dolar pada riset fundamental semacam ini.

Namun, banyak perusahaan kecil juga aktif di bidang ini, beberapa di antaranya bermitra dengan raksasa‑raksasa tersebut untuk menerapkan teknologi mereka.

Hal ini dapat menjadi tugas yang cukup sulit bagi investor non‑spesialis untuk memahami kerumitan berbagai teknologi komputasi kuantum, apalagi menebak mana yang akan berhasil secara komersial.

Jadi, sementara investasi langsung pada startup komputasi kuantum kecil merupakan opsi, alternatif lain adalah mengandalkan ETF untuk mendapatkan eksposur pada sektor ini sambil mendiversifikasi dengan biaya lebih rendah.

Defiance Quantum ETF mencakup 69 saham berbeda yang terkait dengan komputasi kuantum dalam portofolionya, termasuk pengembang komputer & chip kuantum, serta pemasok sistem pendingin, laser, perangkat lunak, dan teknologi lain yang digunakan dalam komputer kuantum atau produksi chip kuantum.

Sumber: Defiance ETF

Dalam bidang yang berkembang cepat ini, kebanyakan investor, bahkan yang familiar dengan industri semikonduktor, kemungkinan akan mendapat manfaat dari tingkat diversifikasi. Jadi hal ini dapat dicapai baik dengan bertaruh pada raksasa‑raksasa teknologi individu yang membuat pilihan kemitraan tepat atau dengan beragam saham, sesuatu yang seringkali lebih efisien dicapai melalui ETF khusus.