Bagaimana Google Mengembangkan Aplikasi Komputasi Kuantum untuk Solusi Dunia Nyata

Komputasi kuantum selama ini lebih sering terdengar seperti bagian dari film fiksi ilmiah.  Namun Google kini sudah mengambil langkah nyata untuk membawa teknologi ajaib ini ke kehidupan sehari-hari. 

Apa sebenarnya komputasi kuantum itu, dan mengapa Google sangat serius mengembangkannya?  Yuk, simak lebih lanjut dalam artikel ini!

Apa Itu Komputasi Kuantum dan Mengapa Penting?

Komputasi kuantum adalah paradigma komputasi baru yang memanfaatkan prinsip-prinsip mekanika kuantum untuk memproses informasi. 

Berbeda dengan komputer klasik yang menggunakan bit (0 atau 1), komputer kuantum menggunakan qubit(quantum bit).  Sifat-sifat kuantum utama yang dimanfaatkan adalah:

1.  Superposition

Superposisi adalah prinsip fundamental dalam komputasi kuantum di mana qubit (bit kuantum) dapat berada dalam keadaan kombinasi linear dari keadaan dasar |0⟩ dan |1⟩ secara bersamaan, berbeda dengan bit klasik yang hanya bernilai 0 atau 1.

Properti tersebut memungkinkan komputer kuantum memproses sejumlah besar kemungkinan secara paralel dalam satu operasi, sehingga memberikan potensi percepatan eksponensial untuk menyelesaikan masalah tertentu seperti faktorisasi bilangan besar dan simulasi sistem kuantum yang tidak dapat ditangani secara efisien oleh komputer klasik.

2.  Entanglement

Keterkaitan (entanglement) Qubit dapat "terjerat" satu sama lain, menciptakan hubungan kuantum yang kuat.  Keadaan dari satu qubit bergantung secara instan pada keadaan qubit yang terjerat dengannya, tidak peduli seberapa jauh jaraknya.  Keterkaitan tersebut memungkinkan qubit untuk bekerja bersama dalam sistem yang koheren dan kompleks.

Dengan kedua sifat tersebut, kekuatan komputasi kuantum tumbuh secara eksponensial dengan setiap penambahan qubit.  Sebuah prosesor dengan beberapa ratus qubit "koheren" (qubit yang bekerja dengan baik) dapat merepresentasikan lebih banyak informasi daripada jumlah atom di alam semesta.

Mengapa Komputasi Kuantum Penting?

Menurut Google Quantum AI, komputasi kuantum penting karena kemampuannya untuk memecahkan masalah tertentu yang mustahil atau memakan waktu sangat lama bagi komputer klasik terhebat sekalipun.  Potensi aplikasinya dapat merevolusi berbagai bidang:

Simulasi Material dan Molekul

Dalam memahami dan merancang molekul dan bahan kimia baru sangat sulit bagi komputer klasik karena perilaku elektron diatur oleh mekanika kuantum.  Dengan solusi komputer kuantum dapat secara alami mensimulasikan sistem kuantum lainnya.  Sehingga hal ini dapat membantu menciptakan:

• Pupuk yang lebih efisien dengan mensimulasikan proses fiksasi nitrogen, sehingga mengurangi konsumsi energi global.

• Baterai yang lebih baik dengan merancang material elektrolit baru.

• Obat-obatan barudengan memahami struktur dan interaksi molekul yang kompleks.

Banyak masalah di dunia nyata, seperti penjadwalan penerbangan, logistik rantai pasokan, atau manajemen portofolio keuangan, melibatkan pencarian solusi terbaik dari miliaran kemungkinan.  

Algoritma kuantum memiliki potensi untuk menemukan solusi optimal dengan jauh lebih cepat, yang dapat menghemat waktu, biaya, dan sumber daya.

Pelatihan model AI yang kompleks membutuhkan daya komputasi yang sangat besar dan waktu yang lama.  Komputer kuantum dapat mempercepat bagian-bagian tertentu dari komputasi machine learning (ML), membantu menemukan pola dalam data yang sangat besar yang tidak dapat dilihat oleh metode klasik.

Tantangan yang Diakui oleh Google

Google dengan transparan menyatakan bahwa kita masih berada di era "Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)".

Artinya, prosesor kuantum saat ini masih memiliki sejumlah qubit dan rentan terhadap kebisingan (noise) dan error.  Untuk mengatasi ini, Google sedang berfokus pada dua jalur penelitian:

• Penelitian Algoritma NISQ:  Mengembangkan algoritma yang berguna yang dapat berjalan pada perangkat keras kuantum yang masih "berisik" saat ini.

• Quantum Error Correction:  Membangun qubit "logis" yang stabil dan bebas error dengan menggabungkan banyak qubit fisik yang rentan error.  Ini adalah langkah kunci untuk membangun komputer kuantum berskala besar yang berguna secara praktis.

Komputasi kuantum adalah lompatan teknologi fundamental yang bukan sekadar tentang melakukan komputasi yang lebih cepat, namun tentang melakukan jenis komputasi yang sama sekali baru.

Komputasi kuantum menjadi penting karena menjanjikan solusi untuk beberapa tantangan terberat umat manusia di bidang sains material, kedokteran, dan optimisasi, yang berada di luar jangkauan komputer klasik.  Meskipun masih dalam tahap pengembangan awal, potensinya untuk mengubah dunia sangatlah besar.

Langkah Besar yang Diambil Google

Berikut adalah langkah-langkah besar yang telah diambil Google dalam pengembangan komputasi kuantum:

1.  Mencapai Quantum Supremacy

Pada tahun 2019, tim Google Quantum AI mengumumkan bahwa mereka telah mencapai tonggak sejarah yang disebut quantum supremacy.

• Prosesor kuantum Sycamore mereka yang berisi 53 qubit mampu melakukan perhitungan tertentu dalam 200 detik yang akan membutuhkan super komputer klasik paling canggih sekalipun (dalam hal ini, Summit dari IBM) sekitar10.000 tahun untuk menyelesaikannya.

• Ini adalah demonstrasi eksperimental pertama bahwa komputer kuantum memang dapat memecahkan masalah yang secara praktis mustahil bagi komputer klasik.  Masalah yang dipecahkan khusus dirancang untuk memamerkan kekuatan kuantum dan menjadi bukti prinsip (proof-of-principle) yang monumental.

2.  Pengembangan Prosesor Kuantum Generasi Berikutnya

Google tidak berhenti di prosesor Sycamore.  Mereka secara konsisten meningkatkan prosesor kuantum mereka dalam apa yang mereka sebut "The Devil's Chart"– sebuah grafik yang menunjukkan peningkatan eksponensial dalam kinerja kuantum.

Mereka telah merilis serangkaian prosesor, dari Sycamore(53 qubit) hingga prosesor yang lebih baru seperti Wisteria. 

Fokusnya bukan hanya pada menambah jumlah qubit, tetapi juga pada meningkatkan kualitas qubit(seperti mengurangi tingkat error) dan kemampuan untuk menghubungkan banyak chip prosesor bersama-sama.

3.  Membangun Roadmap Jangka Panjang yang Ambisius

Google telah merancang roadmap yang jelas dan ambisius menuju komputer kuantum berskala besar yang berguna.  Roadmap ini dibagi menjadi beberapa era:

• Era 1:  Pencapaian Keunggulan Kuantum→Telah tercapai.

• Era 2:  Komputer Kuantum yang Tahan Beban (Error-Corrected Quantum Computer)→Sedang dikembangkan.  Tujuannya adalah membangun sebuah logical qubit yang stabil dengan menggabungkan banyak qubit fisik yang rentan error.  Ini adalah langkah penting untuk membuat komputasi kuantum menjadi andal dan berguna secara praktis.

• Era 3:  Komputer Kuantum Engineering-Scale→Masa depan.  Pada era ini, mesin dengan ribuan qubit logis yang dikoreksi error akan mampu memecahkan masalah-masalah praktis yang kompleks, seperti merancang baterai atau pupuk yang lebih baik.

4.  Fokus pada Quantum Error Correction

Langkah besar lainnya adalah kemajuan yang konsisten dalam bidang koreksi kesalahan kuantum, yang merupakan kunci untuk mewujudkan Era 2 dalam roadmap mereka.

Pada tahun 2021 dan 2023, Google menerbitkan hasil yang menunjukkan bahwa mereka dapat mengurangi tingkat error dengan meningkatkan jumlah qubit yang digunakan untuk membuat satu qubit logis. 

Mereka mendemonstrasikan bahwa dengan menggabungkan 49 qubit fisik, mereka dapat membuat sebuah siklus koreksi error yang berhasil.

Kode koreksi error mengoreksi lebih banyak error daripada yang diperkenalkan oleh proses itu sendiri.  Ini adalah prasyarat fundamental untuk membangun sistem yang stabil.

5.  Pengembangan Perangkat Lunak dan Algoritma Kuantum

Google tidak hanya fokus pada perangkat keras.  Namun juga membangun ekosistem perangkat lunak yang kuat untuk mendukungnya yaitu:

• Cirq:  Sebuah framework Python open-source yang memungkinkan peneliti dan pengembang menulis, memanipulasi, dan menjalankan program kuantum pada prosesor Google dan simulator.

• Tim mereka terus mengeksplorasi dan mengembangkan algoritma kuantum baru yang suatu hari nanti dapat dijalankan pada komputer kuantum yang telah dikoreksi errornya.

6.  Membangun Fasilitas dan Infrastruktur Canggih

Google telah berinvestasi besar-besaran dalam membangun fasilitas laboratorium kuantum yang mutakhir, termasuk Quantum AI Campus di Santa Barbara, California. Fasilitas ini dirancang untuk menciptakan lingkungan yang sangat terkontrol (suhu mendekati nol mutlak) yang diperlukan untuk membuat dan mengoperasikan prosesor kuantum super konduktor mereka.

Langkah-langkah besar Google dapat diringkas sebagai:

• Membuktikan potensi dengan mencapai quantum supremacy.

• Merencanakan masa depan dengan membuat peta jalan yang jelas menuju komputer kuantum yang berguna.

• Mengatasi tantangan terbesar dengan berfokus pada koreksi error kuantum sebagai kunci menuju keandalan.

• Membangun ekosistem lengkap dari perangkat keras, perangkat lunak, hingga infrastruktur.

Dengan pendekatan yang sistematis dan berorientasi pada tujuan ini, Google memposisikan dirinya sebagai pemimpin dalam perlombaan global untuk mengembangkan komputasi kuantum praktis.

Bagaimana Google Mengembangkan Aplikasi Komputasi Kuantum?

Google mengembangkan aplikasi komputasi kuantum melalui pendekatan multi-cabang yang strategis.  Mereka tidak hanya menunggu komputer kuantum skala penuh, tetapi aktif membangun fondasi untuk aplikasi tersebut sejak sekarang.

Berikut adalah cara Google mengembangkan aplikasi komputasi kuantum:

1.  Strategi Ganda:  Penelitian Jangka Panjang dan Aplikasi NISQ

Google secara simultan mengejar dua jalur:

• Jalur 1 (Jangka Panjang):  Membangun komputer kuantum yang fault-tolerant untuk memecahkan masalah terberat.

• Jalur 2 (Jangka Pendek/Menengah):  Mengeksplorasi aplikasi yang dapat berjalan pada prosesor NISQ yang ada saat ini.

2.  Mengidentifikasi Masalah Yang Paling Bermakna

Google fokus pada aplikasi yang akan memiliki dampak dunia nyata yang besar.  Area utama yang mereka selidiki meliputi:

• Simulasi Kuantum: Mensimulasikan molekul dan material untuk merancang obat-obatan baru, katalis yang lebih efisien, dan bahan penyimpanan energi.

• Optimasi:  Memecahkan masalah optimasi kompleks dalam logistik, perencanaan keuangan, dan rantai pasokan.

• Quantum Machine Learning:  Mengembangkan algoritma ML baru yang dapat mempercepat pelatihan model atau menemukan pola dalam data yang tidak terlihat oleh komputer klasik.

3.  Membangun Alat dan Layanan untuk Peneliti dan Pengembang

Google menyadari bahwa inovasi datang dari komunitas yang luas.  Mereka mengembangkan berbagai alat untuk memungkinkan orang lain membangun aplikasi kuantum.

Dengan Cirq open-source utama Google, peneliti dapat bereksperimen dengan algoritma kuantum baru tanpa perlu menjadi ahli perangkat keras.

Google menyediakan akses cloud ke prosesor kuantum mereka (QCS) yang sebenarnya.  Ini memungkinkan peneliti dan organisasi untuk menjalankan eksperimen mereka pada perangkat keras kuantum dunia nyata, yang sangat penting untuk menguji aplikasi pada noise dan skala yang sebenarnya.

4.  Mengeksplorasi Algoritma Hybrid Quantum-Classical

Karena prosesor NISQ masih terbatas, Google banyak berinvestasi dalam mengembangkan algoritma hybrid.  

Dalam pendekatan hybrid sebagian pekerjaan komputasi yang berat dilakukan oleh prosesor kuantum dan sebagian besar pekerjaan, termasuk interpretasi hasil dan pengontrolan iterasi, ditangani oleh komputer klasik yang powerful.

Algoritma andalan untuk pendekatan ini adalah Variational Quantum Algorithms (VQA), seperti Variational Quantum Eigensolver (VQE) dan Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA). 

Algoritma-algoritma tersebut dirancang untuk tahan bising dan cocok untuk perangkat keras NISQ saat ini.

5.  Menerapkan Teknik Pembelajaran Mesin Klasik

Yang menarik, Google menggunakanAI klasikuntuk membantu mengembangkanaplikasi kuantum. Misalnya:

• Mereka menggunakan jaringan saraf (neural networks) untuk lebih memahami error dan noise dalam prosesor kuantum.

• Mereka menerapkan teknik ML untuk "mempelajari" dan mengkalibrasi kontrol qubit dengan lebih baik, yang pada akhirnya meningkatkan kinerja perangkat keras untuk aplikasi.

6.  Membangun Roadmap yang Jelas menuju Aplikasi Praktis

Pengembangan aplikasi di Google Quantum AI dipandu oleh roadmap teknologi mereka yang terkenal.  Mereka memiliki target yang jelas tentang kapan dan bagaimana aplikasi yang berguna akan muncul Era:  Quantum Supremacy (telah tercapai),  Era:  Error-Correction Resource,  Era:  Fault-Tolerant Quantum Computer.

Penerapan Komputasi Kuantum di Berbagai Bidang

Komputer kuantum tidak sekadar mempercepat komputasi yang ada, tetapi membuka kemungkinan untuk memecahkan jenis masalah yang sama sekali baru yang berada di luar jangkauan komputer klasik terhebat sekalipun.

Berikut adalah bidang-bidang yang paling potensial untuk menerima dampak revolusioner:

1.  Perubahan Iklim & Keberlanjutan

Komputasi kuantum dapat membantu mengatasi beberapa tantangan terbesar perubahan iklim melalui penemuan material baru:

• Pupuk yang Lebih Efisien:  Mensimulasikan proses fiksasi nitrogen untuk menciptakan katalis baru yang dapat memproduksi pupuk dengan energi yang jauh lebih sedikit, sehingga mengurangi emisi karbon global yang signifikan.

• Baterai yang Lebih Baik:  Merancang material elektrolit baru untuk baterai generasi berikutnya yang lebih efisien, berkapasitas tinggi, dan lebih murah, sehingga mempercepat transisi ke energi terbarukan.

• Penangkapan Karbon:  Merancang material baru yang dapat menangkap karbon dioksida dari atmosfer dengan lebih efisien.

2.  Kesehatan & Obat-Obatan

Kemampuan untuk memodelkan sistem kuantum akan merevolusi penemuan obat dan ilmu material:

• Desain Obat:  Mensimulasikan interaksi molekuler dengan presisi tinggi untuk merancang obat baru yang lebih efektif dan mempersingkat waktu pengembangannya.

• Penemuan Material Medis:  Merancang material dan katalis baru untuk aplikasi medis, seperti pembawa obat (drug delivery) yang lebih tepat sasaran.

3.  Ilmu Material & Kimia

Ini adalah aplikasi "alami" untuk komputer kuantum karena mereka sendiri adalah sistem kuantum.

• Superkonduktor Suhu Ruangan:  Merancang material yang menjadi superkonduktor pada suhu ruangan, yang akan merevolusi transmisi energi, transportasi (contoh: kereta maglev), dan perangkat elektronik.

• Katalis yang Lebih Baik:  Mengoptimalkan katalis untuk proses industri, membuatnya lebih efisien, kurang berpolusi, dan lebih murah.

• Semikonduktor Baru:  Merancang material semikonduktor dengan sifat elektronik yang unggul untuk komputasi dan elektronik generasi mendatang.

4.  Optimisasi & Logistik

Banyak masalah di dunia nyata adalah tentang menemukan solusi "terbaik" dari miliaran kemungkinan.

• Supply Chain:  Mengoptimalkan rute pengiriman dan logistik untuk mengurangi biaya, waktu, dan jejak karbon.

• Manajemen Aset Keuangan:  Mengoptimalkan portofolio investasi dengan memodelkan risiko pasar yang kompleks dengan lebih akurat.

• Penjadwalan:  Meningkatkan penjadwalan yang rumit, seperti jadwal penerbangan di bandara besar atau alokasi sumber daya dalam pabrik.

5.  Machine Learning

Komputasi kuantum dapat membawa kemampuan baru ke bidang Kecerdasan Artifisial (AI).

• Algoritma kuantum berpotensi mempercepat bagian-bagian tertentu dari pelatihan model ML, terutama untuk dataset yang sangat besar dan kompleks.

• Membantu menemukan pola yang samar dalam data yang tidak dapat diidentifikasi oleh teknik klasik, yang dapat berguna untuk bidang seperti pengenalan gambar atau pengobatan yang dipersonalisasi.

Penerapan komputasi kuantum memiliki potensi untuk mengubah lanskap ilmiah dan industri dengan memecahkan masalah inti yang sebelumnya tidak dapat dipecahkan.  

Fokus utamanya adalah pada masalah-masalah yang melibatkan simulasi alam pada skala kuantum (kimia, material) dan optimisasi sistem yang sangat kompleks.

Meskipun masih dalam tahap pengembangan, fondasi untuk aplikasi-aplikasi revolusioner ini sedang dibangun hari ini.

---

Referensi: https://quantumai.google/