Revolusi Kuantum: Komputer Kuantum dan Sains abad ke-21

Pada abad ke-20 (dan awal abad ke-21), tak diragukan lagi bahwa mekanika kuantum telah sangat berpengaruh terhadap kehidupan kita, walau beroperasi di skala yang jauh lebih kecil daripada daya tangkap mata kita. Keberhasilannya menerangkan dunia subatomik bukan cuma melandasi fisika dan kimia, melainkan juga elektronika modern. Misalnya, pemahaman aturan kuantum yang menerangkan perilaku elektron di bahan semikonduktor seperti silikon, telah memantapkan pondasi dunia teknologi kita. Tanpa pemahaman tentang semikonduktor, kita tidak akan mampu mengembangkan transistor, berikutnya mikrochip dan komputer. Superkomputer gawai yang kita bawa kemana-mana (gadget atau smartphone kita) kini tanpanya, banyak diantara kita yang akan merasa hampa, dipenuhi oleh sihir elektronik yang tidak mungkin ada tanpa mekanika kuantum. Hal yang sama berlaku untuk banyak perkakas rumah kita, dari TV dan konsol gim sampai lampu LED modern dan pengindra asap, serta tentu saja internet. Tak salah, keseluruhan industri telekomunikasi bergantung pada penerapan teknologi mekanika kuantum, seperti laser dan penguat optis. Tidak ada rumah sakit modern yang bisa beroperasi tanpa penerapan mekanika kuantum, dari MRI, PET, pemindai CT, sampai operasi laser.

Revolusi kuantum pun baru saja mulai. Kita akan segera menyaksikan banyak mukjizat teknologi pada beberapa dasawarsa mendatang, yang timbul dari riset terkini fisika kuantum, seperti bahan pintar dan topologis. Contohnya grafin (graphene), material yang lebih kuat dari baja dan berlian, dalam film fiksi ilmiah, kita mungkin akan menyebutnya dengan vibranium dalam dunia nyata! Graphene adalah material yang terdiri dari selapis atom karbon yang tersusun menurut kisi kristal heksagonal. Keunikan graphene terletak pada sifat mekaniknya yang luar biasa, dimana ia sangat kuat, ringan, dan memiliki konduktivitas termal serta listrik yang tinggi, tergantung bagaimana caranya dibentuk dan dimanipulasi, grafin bisa berfungsi sebagai insulator, konduktor, atau bahkan semikonduktor. 

Graphene memiliki kekuatan mekanik yang luar biasa karena ikatan kovalen antara atom karbon yang sangat kuat. Meskipun hanya memiliki satu lapisan atom, graphene dapat menahan tekanan dan tarikan dengan baik. Sifat ini membuatnya lebih kuat dari baja dalam hal kekuatan per beratnya.

Terlebih, riset terkini menyiratkan bahwa dua lapis grafin yang ditekuk terhadap satu sama lain menurut sudut tertentu, dalam kondisi suhu rendah tertentu serta dalam medan listrik lemah, ia berperlaku seperti superkonduktor yang bisa dialiri tanpa hambatan sama sekali, dan ya... lagi-lagi merupakan satu fenomena kuantum. Teknik itu disebut sebagai twistronics, dan diperkirakan akan diterapkan di banyak alat elektronik yang bahkan belum terbayang sekarang.

Dan masih banyak lagi. Satu generasi alat dan teknologi yang sekarang tengah dikembangkan, akan menjamur pada era kita, alat yang mampu menciptakan dan mengotak-atik keadaan eksotis zat dengan menggunakan trik-trik dunia kuantum dalam cara baru. Kemajuan di bidang seperti teori informasi kuantum, optika kuantum, dan nanoteknologi memungkinkan kita mengembangkan beraneka alat sejenis. Misal, gravimeter kuantum amat cermat akan mampu memetakan perubahan kecil di medan gravitasi Bumi, sehingga ahli geologi bisa menentukan lokasi cadangan mineral batu atau pipa di bawah jalan untuk mengurangi gangguan ketika kita mau mengaksesnya. Kamera kuantum akan memiliki sensor yang memudahkan kita melihat dibalik suatu halangan, pencitraan kuantum akan memungkinkan pemetaan non-intrusif aktivitas yang berpotensi menyembuhkan banyak kondisi, salah satunya pikun. Lalu, distribusi kunci kuantum (quantum key distribution/ QKD) akan memungkinkan kita bertukar informasi secara aman dari satu tempat ke tempat lain. Teknologi kuantum akan membantu kita membangun mesin molekular buatan yang mampu menjalankan banyak tugas.

Kedokteran adalah contoh pas untuk bidang yang akan paling terdampak dunia kuantum dalam beberapa tahun ke depan. Jauh pada skala yang bahkan lebih kecil dari pada sel hidup, kita akan menyaksikan kemunculan beragam teknologi baru yang spektakuler, seperti nanozarah dengan sifat kuantum khas yang bisa menempel ke antibodi demi menangkal infeksi, atau "terprogram" untuk mengganda hanya di dalam sel tumor, atau bahkan mengambil gambar sel tumor dari dalam. Lalu, sensor kuantum akan memungkinkan kita mengukur secara jauh lebih cermat sehingga bisa membantu mencitrakan biomolekul individual. Ditambah bantuan komputer kuantum (yang akan dibahas dibagian selanjutnya), kita seharusnya bisa mengurutkan DNA dengan jauh lebih cepat, sekaligus melakukan beberapa tugas yang melibatkan penyelidikan cermat atas "mahadata" tentang seluruh aspek kesehatan, bahkan sampai tingkat molekuler. 

Dan tentu masih banyak lagi kemajuan teknologi yang akan menanti kita, ribuan kemajuan teknologi dan teknik di komunikasi, kedokteran, transportasi, teknologi gambar, serta pengindraan yang akan datang. Terima kasih Fisika!

Komputer kuantum dan sains abad ke-21

Jika kita berpikir bahwa revolusi kuantum abad kemarin telah mencengangkan, tunggu saja giliran abad ke-21. Semua kemajuannya bukan hanya akan menghadiahi kita "mainan" yang menurut beberapa pihak justru akan merepotkan hidup kita disaat yang sama. Kemajuan abad ke-21 juga bakal membantu kita memecahkan beberapa masalah terbesar yang dihadapi umat manusia, mentransformasi dunia kita dengan cara yang tak terbayangkan. Salah satu penerapan fisika paling menarik pada masa depan tak diragukan lagi ialah komputer kuantum, kita mungkin tahu bahwa komputer digital telah mengubah setiap aspek kehidupan kita. Namun, kemunculan kuantum komputer bahkan bisa lebih bersejarah dari komputer digital. Kita sekarang berada di tahap awal revolusi berikutnya, sebuah komputer generasi baru, The Ultimate computer! Sebuah komputer yang dikomputasikan oleh atom, yang merupakan unsur pokok materi itu sendiri. Komputer kuantum bakal dipakai untuk menyelesaikan beragam tugas yang mustahil dilakukan sekarang, bahkan oleh superkomputer paling hebat. Komputer kuantum diharapkan mampu menolong umat manusia membereskan banyak masalah rumit dalam sains, terutama jika dikolaborasikan dengan kecerdasan buatan. 

Mungkin sebagai pengantar, akan diterangkan terlebih dahulu tentang bagaimana sejarah terciptanya komputer. Dalam sejarah manusia terdapat 3 generasi komputer yang telah manusia ciptakan. 

Generasi pertama mungkin kita akan mengingat nama Charles Babbage sebagai orang yang pertama kali mengemukakan gagasan tentang komputer. Dia menciptakan komputer analog dengan ratusan roda gigi, tuas, dan katrol. Dan dengan memutar 'crank', kita dapat menghitung garis bujur, garis lintang, dan lain-lain. 

Generasi kedua terjadi ketika perang dunia ke-2, ketika komputer analog terlalu primitif untuk memecahkan "Enigma" (kode rahasia Jerman), lalu pekerjaan tersebut diberikan kepada seorang matematikawan bernama Alan turing. Alan turing adalah orang yang banyak mengkodifikasikan hukum komputasi, ke dalam apa yang disebut dengan "Turing machine" dan tentu saja, itu adalah digital. Hari ini, revolusi digital didasarkan pada transistor, ia beroperasi pada hitungan biner 0 dan 1 (on dan off) dengan kecepatan listrik.

Generasi berikutnya, tentu saja adalah melampaui komputer digital ialah era kuantum! Richard Feynman adalah salah satu  dari pendiri elektrodinamika kuantum, dia bertanya tentang pertanyaan sederhana: seberapa kecil kita dapat membuat transistor? Dan dia menyadari bahwa 'the ultimate transistor' adalah Atom! Satu atom dapat dapat mengendalikan aliran listrik, tidak hanya berhitung pada hitungan biner 0 dan 1 sebagaimana transistor tadi, tetapi segala sesuatu diantaranya (superposisi kuantum). Dan itulah komputer kuantum, komputer yang dikomputasikan oleh atom.

Suatu hari nanti, komputer kuantum mungkin akan menggantikan komputer digital di meja kita. Dengan kehadiran komputer kuantum, maka komputer yang bebasis silikon diperkirakan akan mencapai batas fisik nya, setidaknya dalam hal peningkatan daya. Karena itu, suatu hari nanti Silicon Valley bisa saja berubah menjadi Rush Belt, digantikan oleh teknologi baru yang muncul dari komputasi kuantum. Rangkaian komputer baru yang lebih kuat diperlukan jika teknologi ingin terus maju.

Bahkan pada faktanya, masa depan perekonomian dunia suatu hari mungkin akan bergantung pada teknologi komputer kuantum ini, sehingga terdapat minat komersial yang sangat besar terhadap teknologi ini. CIA dan organisasi rahasia lainnya juga sangat tertarik pada komputer kuantum ini. Banyak kode rahasia dunia yang bergantung pada semacam "kunci", yang merupakan bilangan bulat yang sangat besar, dan kemampuan seseorang untuk memfaktorkannya menjadi bilangan prima. Jika kuncinya adalah hasil perkalian dua angka, yang masing-masing terdiri dari seratus digit, maka komputer digital mungkin memerlukan waktu lebih dari seratus tahun untuk menemukan kedua faktor ini dari awal. Kode seperti itu pada dasarnya tidak dapat dipecahkan saat ini!

Namun fisikawan Peter Shor dari Bell Labs menunjukan bahwa memfaktorkan bilangan besar bisa menjadi "permainan anak-anak" bagi komputer kuantum. Penemuan ini tentunya langsung menarik perhatian dan minat para komunitas intelijen. Pada prinsipnya, komputer kuantum dapat memecahkan semua kode di dunia, sehingga membuat keamanan sistem komputer saat ini menjadi kacau balau. Negara pertama yang mampu membangun sistem seperti itu akan mampu mengungkap berbagai rahasia terdalam negara dan oraganisasi lain.

Berikutnya akan diuraikan tentang bagaimana komputer kuantum itu bekerja secara teknis, berikut uraiannya.

Komputer kuantum langsung mengandalkan fitur dunia kuantum yang cenderung kontraintuitif. Sebagaimana kita tahu bahwa teori kuantum didasarkan peluang, keberuntungan dan probabilitas, berbeda dengan teori Newton yang memberikan jawaban yang pasti, teori kuantum hanya memberikan probabilitas. 

Di komputasi klasik, informasi disimpan  dan di proses dalam bentuk "bit" (yang merupakan kependekan dari binary digit). Satu bit informasi bisa memiliki salah satu nilai: nol atau satu. Sedangkan komputer kuantum beroperasi berdasarkan  "qubit" (quantum digit), yang tidak terpaku hanya pada satu atau nol saja, seperti sistem biner. Justru, satu qubit dapat dapat mewujud  di superposisi kuantum nol dan satu secara bersamaan bersamaan (sebagaimana yang telah disinggung sebelumnya), sehingga dia mampu menyimpan lebih banyak informasi. 

Sederhananya, satu qubit sama dengan satu elektron yang 'spin' kuantumnya yang secara probabilitas menunjuk paralel (disebut 'spin' naik) atau antiparalel (disebut 'spin' turun) terhadap medan magnetik yang diterapkan. Jika satu denyut elektromagnetik tambahan diberikan, maka 'spin' elektron dapat berbalik dari paralel (0) menjadi antiparalel (1). Namun karena elektron adalah zarah kuantum, maka sebetulnya denyut elektromagnetik itu juga dapat diletakan di superposisi 'spin' naik (0) dan turun (1) pada waktu yang bersamaan. Ketika dua elektron terbelit, maka ia dapat diletakan di superposisi empat tingkat kuantum dengan serentak, yaitu 00, 01, 10, dan 11. Lalu, dengan semakin qubit ditambahkan, maka sirkuit logika kuantum yang rumit bisa dikembangkan.

Mungkin saya akan coba untuk lebih menyederhanakan lagi, jika uraian diatas adalah terlalu teknis. Kita tahu bahwa komputer digital menghitung pada sistem biner 0 dan 1, yang disebut bit. Namun, komputer kuantum jauh lebih kuat. Mereka dapat menghitung qubit, yang dapat mengambil nilai "antara" 0 dan 1. Bayangkan sebuah sebuah atom yang ditempatkan di medan magnet. Ia berputar seperti gasing, sehingga sumbu putarannya bisa mengarah ke atas atau ke bawah. Akal sehat mengatakan mengatakan kepada kita bahwa putaran atom bisa naik atau turun, tetapi tidak keduanya sekaligus. Namun dalam dunia kuantum yang aneh, atom digambarkan sebagai jumlah dari dua keadaan, jumlah atom yang berputar ke atas dan atom yang berputar ke bawah. Di dunia kuantum, setiap objek digambarkan dengan jumlah semua keadaan yang mungkin terjadi. Jika besar kucing dideskripsikan dengan cara kuantum ini, berarti kita harus menambahkan fungsi gelombang kucing hidup ke kucing mati, sehingga kucing tersebut tidak mati dan tidak hidup (ide dikenal dengan nama paradoks "cat schrodinger", sebuah 'thougt experiment' yang digagas oleh fisikawan Erwin schrodinger). 

Mungkin sebagai catatan kaki, akan diterangkan terlebih dahulu terkait apa itu "cat schrodinger". Paradoks cat schrodinger adalah sebagai berikut: seekor kucing ditempatkan di dalam kotak tertutup dengan pistol yang diarahkan ke kucing (dan pelatuknya kemudian dihubungkan ke penghitung Geiger di sebelah sepotong uranium). Biasanya ketika atom uranium meluruh, ia akan memicu penghitung Geiger dan kemudian pistol dan kucing tersebut terbunuh. Atom uranium bisa meluruh atau tidak, kucing itu hidup atau mati. Ini hanyalah akal sehat.

Namun dalam teori kuantum, kita tidak mengetahui secara pasti apakah uranium telah membusuk. Jadi kita harus menambahkan fungsi gelombang atom yang membusuk dengan fungsi gelombang utuh. Namun ini berarti untuk dapat mendeskripsikan kucing, kita harus menambahkan dua keadaan kucing tersebut. Jadi, kucing tidak mati dan tidak hidup. Ini direpresentasikan sebagai jumlah kucing mati dan kucing hidup! 

Absurd bukan? Tetapi seperti yang pernah dikatakan oleh fisikawan Richard Feynman, "mekanika kuantum menggambarkan alam sebagai sesuatu yang absurd dari sudut pandang akal sehat. Dan itu sepenuhnya sesuai dengan eksperimen. Jadi saya harap anda bisa menerima alam apa adanya.... tidak masuk akal."

Sekarang mari kita kembali pada uraian tentang komputer kuantum. Bayangkan serangkaian atom yang sejajar dalam medan magnet, dengan putaran yang sejajar dalam satu cara. Jika sinar laser disinari pada serangkaian atom ini, maka sinar laser akan memantul dari kumpulan atom tersebut, membalikan sumbu putaran beberapa atom. Dengan mengukur perbedaan antara sinar laser yang masuk dan keluar, maka kita telah menyelesaikan "perhitungan" kuantum yang rumit yang melibatkan pembalikan banyak putaran.

Namun, diantara banyaknya kemajuan dalam berbagai hal terkait komputer kuantum, teknologi ini masih memiliki semacam kelemahan: menjaga koherensi untuk sekumpulan atom yang besar, atau kita bisa menyebutnya dengan masalah "dekoherensi"

Kita kembali pada persoalan pada elektron yang terbelit. Semakin banyak qubit yang terbelit secara bersamaan, maka mereka bisa bekerja secara koheren untuk memproses banyak pilihan secara serentak, jauh lebih unggul dan efisien dari pada pendahulu generasi sebelumnya. Namun sekali lagi, alat seperti itu tidaklah mudah. Keadaan kuantum terbelit (quantum entangled state) sangatlah halus dan hanya bisa dipertahankan pada kondisi khusus selama jangka waktu pendek. Tantangan yang dihadapi  justru bukanlah untuk menemukan seemacam metode isolasi dan perlindungan tingkat kuantum tersebut terhadap lingkungan sekitarnya (yang menghancurkan koherensi kuantum), melainkan kemampuan mengendalikan masukan dan keluaran informasi yang diproses oleh qubit. Tantangan itu kian sulit ditaklukan seiring bertambahnya qubit yang terbelit. Dan segera setelah komputasi diselesaikan, salah satu keadaan akhir (final state) mungkin di superposisi dipilih, lalu diamplifikasikan sehingga terbaca menggunakan alat makroskopis (klasik), ini adalah salah satu masalah rumit penerapan yang belum terpecahkan.

Sekali lagi, seperti yang telah diuraikan diatas, koherensi sangatlah sulit dipertahankan bahkan di ruangan khusus atau di laboratorium sekalipun. Getaran sekecil apapun dapat mengganggu koherensi 2 atom dan merusak komputasi. Saat ini sangat sulit untuk mempertahankan koherensi pada lebih dari segelintir atom. Atom-atom yang awalnya berada dalam fase, mulai terdekohesi dalam hitungan nanodetik hingga, paling banter, satu detik.Untuk membangun kuantum komputer yang berguna, kita memerlukan ratusan hingga jutaan atom yang bergetar secara serempak, sebuah pencapaian yang mungkin diluar kemampuan kita saat ini. Oleh karena itu, taruhannya sangat tinggi. Jika kita bisa memecahkan masalah koherensi, bukan saja akan menjadi terobosan yang sangat penting dan kita juga mungkin akan akan memiliki kemampuan untuk memajukan segala jenis teknologi dengan cara yang tak terhitungkan. Dan karena itu, saya sedang berpikir tentang ide teleportasi... yaa teleportasi! Dengan memecahkan pemasalahan dekoherensi, ide tentang teleportasi akan sangat sekali dimungkinkan (yang mungkin akan saya bahas pada artikel lain di lain waktu, hehe. Soon!)

Kini, terlepas dari berbagai tantangan sulit itu, lab- lab riset diseluruh dunia sedang berlomba membangun komputer kuantum tulen yang pertama. Hanya beberapa tahun yang lalu, kemungkinan penciptaan alat ini bahkan dikira mustahil. Namun sekarang, para peneliti berbincang tentang impian mereka yang akan terlaksana dalam satu atau dua dasawarsa ke depan, purwarupa rudimenter pun sudah ada. Sementara ini, terdapat beberapa pendekatan untuk membangun komputer kuantum, dan kita belum mengetahui pendekatan mana yang paling praktis. Biasanya, qubit dapat diciptakan dari sembarang zarah subatomik yang menunjukan perilaku kuantum, serta terbelit bersama, seperti elektron dan foton, atau ion yang tersuspensi di medan elektromagnetik, atau atom yang terperangkap di dalam sorot laser, atau cairan dan benda padat khusus yang 'spin' kuantum inti-inti atomnya bisa diselidiki menggunakan resonansi magnetik inti (nuclear magnetic resonance).

Dua raksasa komputasi, IBM dan Google, kini tengah berlomba membangun komputer kuantum tulen yang pertama, tapi belum ada yang mampu membangun semacam sistem multi-qubit stabil yang bertahan cukup lama untuk melangsungkan komputasi kuantum yang layak. Terdapat juga banyak perusahaan rintisan (start-up) yang sedang mendalami masalah itu. Beberapa befokus ke stabilitas, sementara yang berfokus ke peningkatan jumlah qubit yang terbelit. Berbagai kemajuan terus diraih, dan saya yakin komputer kuantum yang merakyat akan menjadi kenyataan pada masa hidup saya!

Yang penting untuk diperhatikan adalah bahwa tantangan yang kita hadapi bukan hanya dari segi perancangan keras. Komputer kuantum juga perlu perangkat lunak khusus untuk menjalankannya, algoritma kuantum. Algoritma kuantum yang terkenal adalah algoritma faktorisasi Shor (Shor's factorization algorithm) dan algoritma pencarian Grover (Grover's factorization algorithm), algoritma faktorisasi Shor ini berperan tentang bagaimana komputer kuantum menguraikan angka besar dan algoritma pencarian Grover ialah salah satu algoritma kuantum yang diusulkan untuk menunjukan keunggulan kuantum, misalnya dalam hal 'percepatan kuadrat', dibandingkan dengan generasi sebelumnya.

Suatu saat, komputer kuantum akan dipakai untuk memecahkan masalah-masalah lintas disiplin yang luas, dari matematika, kimia, kedokteran, hingga kecerdasan buatan. Para ahli kimia sudah tidak sabar ingin menggunakan komputer kuantum untuk memodelkan reaksi kimia yang sangat kompleks. Raksasa komputasi, Google mengembangkan alat kuantum rudimenter yang mampu membuat simulasi satu molekul hidrogen untuk pertama kali! Sesudahnya, IBM melajutkan pembuatan model perilaku molekul-molekul yang lebih kompleks. Pada akhirnya, para peneliti berharap mereka akan mampu memanfaatkan simulasi kuantum untuk merancang molekul sintetis dan mengembangkan obat-obatan baru. 

Di bidang pertanian, ahli kimia bisa menggunakan komputer kuantum untuk menemukan katalis pupuk baru sehingga emisi gas rumah kaca bisa dikurangi dan produksi pangan bisa ditingkatkan. Di bidang AI, komputer kuantum bakal mempercepat optimisasi komples di pembelajaran mesin (machine learning) secara drastis. Peran itu penting diberagam industri yang bergantung pada peningkatan produktivitas dan efisiensi untuk memaksimalkan suatu hasil. Kehadiran komputer kuantum kemungkinan besar akan merevolusi bidang teknik sistem (system engineering) dengan cara mengantarkan wawasan optimisasi demi penyederhanaan keluaran dan pengurangan limbah. Tak lama lagi insinyur kuantum akan merambah cakupan bidang yang luas, dari mekanika kuantum dan teknik elektronik sampai teknik sistem, AI, dan ilmu komputer.

Harapan saya, terhadap topik yang diuraikan pada artikel ini, adalah saya mampu sedikit memaparkan tentang bagaimana peran fisika dalam membantu kita memahami dunia di sekitar kita, sekaligus tentang bagaimana kita, sebagai satu spesies, senantiasa memanfaatkan pengetahuan tersebut.

-F-