Apa yang Membuat Komputasi Kuantum Sangat Sulit Dijelaskan?

KOMPUTER KUANTUM, ANDAmungkin pernah mendengar, adalah uber-mesin ajaib yang akan segera menyembuhkan kanker dan pemanasan global dengan mencoba semua kemungkinan jawaban di alam semesta paralel yang berbeda. Selama 15 tahun, di blog saya dan di tempat lain, saya mencerca visi kartun ini, mencoba menjelaskan apa yang saya lihat sebagai kebenaran yang lebih halus tetapi ironisnya bahkan lebih menarik. Saya mendekati ini sebagai layanan publik dan hampir kewajiban moral saya sebagai peneliti komputasi kuantum. Sayangnya, pekerjaan itu terasa seperti Sisyphean: Kehebohan mengerikan tentang komputer kuantum hanya meningkat selama bertahun-tahun, karena perusahaan dan pemerintah telah menginvestasikan miliaran, dan karena teknologi telah berkembang ke perangkat 50-qubit yang dapat diprogram yang (pada tolok ukur tertentu yang dibuat) benar-benar dapat memberikan superkomputer terbesar di dunia mengejar uang mereka. Dan seperti halnya dalam cryptocurrency, pembelajaran mesin, dan bidang trendi lainnya, dengan uang telah datang pedagang asongan.

Namun, di saat-saat reflektif, saya mengerti. Kenyataannya adalah bahwa bahkan jika Anda menghilangkan semua insentif buruk dan keserakahan, komputasi kuantum masih akan sulit untuk dijelaskan secara singkat dan jujur ​​tanpa matematika. Seperti yang pernah dikatakan oleh pelopor komputasi kuantum Richard Feynman tentang pekerjaan elektrodinamika kuantum yang membuatnya memenangkan Hadiah Nobel, jika mungkin untuk menggambarkannya dalam beberapa kalimat, itu tidak akan bernilai Hadiah Nobel.

Bukan berarti itu menghentikan orang untuk mencoba. Sejak Peter Shor menemukan pada tahun 1994 bahwa komputer kuantum dapat memecahkan sebagian besar enkripsi yang melindungi transaksi di internet, kegembiraan tentang teknologi telah didorong oleh lebih dari sekadar keingintahuan intelektual. Memang, perkembangan di lapangan biasanya diliput sebagai cerita bisnis atau teknologi daripada sebagai sains.

Baca juga di informasikita untuk mendapatkan informasi tentang teknologi terbaru sesuai dengan keinginan anda.

Itu akan baik-baik saja jika seorang reporter bisnis atau teknologi dapat dengan jujur ​​memberi tahu pembaca, “Lihat, ada semua hal kuantum yang dalam di bawah tenda, tetapi yang perlu Anda pahami adalah intinya: Fisikawan berada di ambang membangun komputer yang lebih cepat yang akan merevolusi segalanya.”

Masalahnya adalah bahwa komputer kuantum tidak akan merevolusi segalanya.

Ya, mereka mungkin suatu hari nanti memecahkan beberapa masalah khusus dalam hitungan menit yang (kami pikir) akan memakan waktu lebih lama daripada usia alam semesta pada komputer klasik. Tetapi ada banyak masalah penting lainnya yang menurut sebagian besar ahli komputer kuantum hanya akan membantu secara sederhana, jika sama sekali. Juga, sementara Google dan yang lainnya baru-baru ini membuat klaim yang kredibel bahwa mereka telah mencapai percepatan kuantum yang dibuat-buat, ini hanya untuk tolok ukur esoteris tertentu (yang saya bantu kembangkan ). Komputer kuantum yang besar dan cukup andal untuk mengungguli komputer klasik dalam aplikasi praktis seperti memecahkan kode kriptografi dan mensimulasikan kimia kemungkinan masih jauh.

Tetapi bagaimana komputer yang dapat diprogram bisa lebih cepat hanya untuk beberapa masalah? Apakah kita tahu yang mana? Dan apa arti komputer kuantum “besar dan andal” dalam konteks ini? Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini kita harus masuk ke hal-hal yang mendalam.

Mari kita mulai dengan mekanika kuantum. (Apa yang bisa lebih dalam?) Konsep superposisi sangat sulit untuk diterjemahkan dalam kata-kata sehari-hari. Jadi, tidak mengherankan, banyak penulis memilih jalan keluar yang mudah: Mereka mengatakan bahwa superposisi berarti “keduanya sekaligus,” sehingga bit kuantum, atau qubit, hanyalah bit yang dapat menjadi “keduanya 0 dan 1 pada waktu yang sama. ,” sementara bit klasik hanya bisa satu atau yang lain. Mereka melanjutkan dengan mengatakan bahwa komputer kuantum akan mencapai kecepatannya dengan menggunakan qubit untuk mencoba semua solusi yang mungkin dalam superposisi yaitu, pada saat yang sama, atau secara paralel.

Inilah yang saya anggap sebagai kesalahan langkah mendasar dalam mempopulerkan komputasi kuantum, yang mengarah ke yang lainnya. Dari sini, hanya perjalanan singkat ke komputer kuantum dengan cepat memecahkan sesuatu seperti masalah wiraniaga keliling dengan mencoba semua kemungkinan jawaban sekaligus sesuatu yang hampir semua ahli yakini tidak akan mampu mereka lakukan.

Masalahnya, agar komputer berguna, pada titik tertentu Anda perlu melihatnya dan membaca output. Tetapi jika Anda melihat superposisi yang sama dari semua kemungkinan jawaban, aturan mekanika kuantum mengatakan Anda hanya akan melihat dan membaca jawaban acak. Dan jika hanya itu yang Anda inginkan, Anda bisa memilihnya sendiri.

Apa yang sebenarnya dimaksud superposisi adalah “kombinasi linier kompleks”. Di sini, yang kami maksud “kompleks” bukan dalam arti “rumit” tetapi dalam arti bilangan real ditambah imajiner, sedangkan “kombinasi linier” berarti kami menjumlahkan kelipatan keadaan yang berbeda. Jadi qubit adalah bit yang memiliki bilangan kompleks yang disebut amplitudo yang melekat pada kemungkinan itu 0, dan amplitudo berbeda yang melekat pada kemungkinan itu 1. Amplitudo ini terkait erat dengan probabilitas, di mana semakin jauh beberapa amplitudo hasil adalah dari nol, semakin besar peluang untuk melihat hasil itu; lebih tepatnya, probabilitas sama dengan kuadrat jarak.

Tetapi amplitudo bukanlah probabilitas. Mereka mengikuti aturan yang berbeda. Misalnya, jika beberapa kontribusi pada amplitudo adalah positif dan yang lainnya negatif, maka kontribusi tersebut dapat berinterferensi secara destruktif dan saling meniadakan, sehingga amplitudonya nol dan hasil yang sesuai tidak pernah diamati; juga, mereka dapat mengganggu secara konstruktif dan meningkatkan kemungkinan hasil yang diberikan. Tujuan dalam merancang algoritma untuk komputer kuantum adalah untuk membuat koreografi pola interferensi konstruktif dan destruktif sehingga untuk setiap jawaban yang salah kontribusi pada amplitudonya saling meniadakan, sedangkan untuk jawaban yang benar kontribusinya saling memperkuat. Jika, dan hanya jika, Anda dapat mengaturnya, Anda akan melihat jawaban yang benar dengan kemungkinan besar saat Anda melihatnya.

Dua puluh tujuh tahun yang lalu, Shor menunjukkan bagaimana melakukan semua ini untuk masalah pemfaktoran bilangan bulat, yang memecahkan kode kriptografi yang banyak digunakan yang mendasari sebagian besar perdagangan online. Kita sekarang tahu bagaimana melakukannya untuk beberapa masalah lain juga, tetapi hanya dengan mengeksploitasi struktur matematika khusus dalam masalah tersebut. Ini bukan hanya soal mencoba semua kemungkinan jawaban sekaligus.

Yang memperumit kesulitannya adalah, jika Anda ingin berbicara jujur ​​tentang komputasi kuantum, maka Anda juga memerlukan kosakata konseptual ilmu komputer teoretis. Saya sering ditanya berapa kali lebih cepat komputer kuantum daripada komputer saat ini. Satu juta kali? Satu miliar?

Pertanyaan ini meleset dari inti komputer kuantum, yaitu untuk mencapai “perilaku penskalaan” yang lebih baik, atau waktu berjalan sebagai fungsi dari n , jumlah bit data input. Ini bisa berarti mengambil masalah di mana algoritma klasik terbaik membutuhkan sejumlah langkah yang tumbuh secara eksponensial dengan n , dan menyelesaikannya menggunakan sejumlah langkah yang tumbuh hanya sebagai 2 . Dalam kasus seperti itu, untuk n kecil , menyelesaikan masalah dengan komputer kuantum sebenarnya akan lebih lambat dan lebih mahal daripada menyelesaikannya secara klasik. Hanya ketika n tumbuh, percepatan kuantum pertama kali muncul dan akhirnya mendominasi.

Tapi bagaimana kita bisa tahu bahwa tidak ada jalan pintas klasik algoritme konvensional yang akan memiliki perilaku penskalaan yang mirip dengan algoritme kuantum? Meskipun biasanya diabaikan dalam akun populer, pertanyaan ini merupakan pusat penelitian algoritma kuantum, di mana seringkali kesulitannya tidak begitu banyak membuktikan bahwa komputer kuantum dapat melakukan sesuatu dengan cepat, tetapi dengan meyakinkan menyatakan bahwa komputer klasik tidak bisa. Sayangnya, ternyata sangat sulit untuk membuktikan bahwa masalah itu sulit, seperti yang diilustrasikan oleh masalah P versus NP yang terkenal (yang menanyakan, secara kasar, apakah setiap masalah dengan solusi yang dapat diperiksa dengan cepat juga dapat diselesaikan dengan cepat). Ini bukan hanya masalah akademis, masalah titik-titik: Selama beberapa dekade terakhir, dugaan percepatan kuantum telah berulang kali hilang ketikaalgoritma klasik ditemukan dengan kinerja yang sama.

Perhatikan bahwa, setelah menjelaskan semua ini, saya masih belum mengatakan sepatah kata pun tentang kesulitan praktis membangun komputer kuantum. Masalahnya, singkatnya, adalah dekoherensi, yang berarti interaksi yang tidak diinginkan antara komputer kuantum dan lingkungannya medan listrik terdekat, objek hangat, dan hal-hal lain yang dapat merekam informasi tentang qubit. Hal ini dapat mengakibatkan “pengukuran” prematur dari qubit, yang meruntuhkannya menjadi bit klasik yang pasti 0 atau pasti 1. Satu-satunya solusi yang diketahui untuk masalah ini adalah koreksi kesalahan kuantum: sebuah skema, yang diusulkan pada pertengahan 1990-an, yang dengan cerdik mengkodekan setiap qubit dari komputasi kuantum ke dalam keadaan kolektif dari lusinan atau bahkan ribuan qubit fisik. Tetapi para peneliti baru sekarang mulai membuat koreksi kesalahan seperti itu bekerja di dunia nyata, dan benar-benar menggunakannya akan memakan waktu lebih lama. Saat Anda membaca tentang eksperimen terbaru dengan 50 atau 60 qubit fisik, penting untuk dipahami bahwa qubit tidak dikoreksi kesalahan. Sampai mereka, kami tidak berharap untuk dapat menskala lebih dari beberapa ratus qubit.

Begitu seseorang memahami konsep-konsep ini, saya akan mengatakan bahwa mereka siap untuk mulai membaca atau bahkan mungkin menulis sebuah artikel tentang kemajuan terbaru yang diklaim dalam komputasi kuantum. Mereka akan tahu pertanyaan mana yang harus diajukan dalam perjuangan terus-menerus untuk membedakan kenyataan dari hype. Memahami hal ini benar-benar mungkin bagaimanapun juga, ini bukan ilmu roket; itu hanya komputasi kuantum!

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *