Fisikawan Akhirnya Menemukan Masalah yang Hanya Dapat Dilakukan Komputer Kuantum | Majalah Kuanta

Komputer kuantum siap menjadi kekuatan super komputasi, namun para peneliti telah lama mencari masalah yang dapat memberikan keunggulan kuantum – sesuatu yang hanya dapat diselesaikan oleh komputer kuantum. Hanya dengan cara itulah, menurut mereka, teknologi pada akhirnya akan dianggap penting.

Mereka sudah mencari selama beberapa dekade. “Salah satu alasan mengapa hal ini menantang adalah karena komputer klasik cukup bagus dalam banyak hal yang mereka lakukan,” katanya John Preskill, seorang fisikawan teoretis di California Institute of Technology.

Dalam 1994, Peter Shor menemukannya satu kemungkinan: algoritma kuantum untuk memfaktorkan bilangan besar. Algoritme Shor sangat kuat dan diyakini secara luas dapat mengalahkan semua algoritma klasik; ketika dijalankan pada komputer kuantum, ia berpotensi merusak sebagian besar sistem keamanan internet, yang bergantung pada sulitnya memfaktorkan bilangan besar. Namun meskipun mengesankan, algoritme ini hanya relevan pada sebagian kecil bidang penelitian, dan ada kemungkinan bahwa besok seseorang akan menemukan cara yang efisien untuk memfaktorkan bilangan besar pada mesin klasik, sehingga membuat algoritme Shor dapat diperdebatkan. Penerapan Shor yang sempit telah mengarahkan komunitas riset untuk mencari kasus penggunaan lain untuk mesin kuantum yang mungkin benar-benar membantu membuat penemuan ilmiah baru.

“Kami tidak ingin membuat komputer hanya untuk satu tugas,” katanya Soonwon Choi, seorang fisikawan di Massachusetts Institute of Technology. “Selain algoritma Shor, apa lagi yang bisa kita lakukan dengan komputer kuantum?”

Seperti yang dikatakan Preskill, “Kita harus menemukan permasalahan yang secara klasik sulit, namun kemudian kita harus [menunjukkan] bahwa metode kuantum akan benar-benar efisien.”

Beberapa kali, para peneliti mengira mereka telah melakukannya, menemukan algoritma kuantum yang dapat memecahkan masalah lebih cepat daripada apa pun yang dapat dilakukan oleh komputer klasik. Tapi kemudian seseorang - sering kali adalah peneliti muda Ewin Tang — menghasilkan algoritme klasik baru yang cerdas yang dapat mengungguli algoritme kuantum.

Sekarang, tim fisikawan termasuk Preskill mungkin sudah melakukannya belum menemukan kandidat terbaik untuk keuntungan kuantum. Dengan mempelajari energi sistem kuantum tertentu, mereka menemukan pertanyaan spesifik dan berguna yang mudah dijawab oleh mesin kuantum, namun masih sulit dijawab oleh mesin klasik. “Ini adalah kemajuan besar dalam teori algoritma kuantum,” katanya Sergey Bravyi, seorang ahli fisika teoretis dan ilmuwan komputer di IBM. “Hasilnya adalah keuntungan kuantum untuk masalah yang relevan dengan kimia dan ilmu material.”

Para peneliti juga bersemangat bahwa karya baru ini mengeksplorasi bidang ilmu fisika baru yang tidak terduga. “Kemampuan baru ini secara kualitatif berbeda [dibandingkan Shor] dan berpotensi membuka banyak peluang baru di dunia algoritma kuantum,” kata Choi.

Masalahnya berkaitan dengan sifat-sifat sistem kuantum (biasanya atom) dalam berbagai tingkat energi. Ketika atom berpindah antar keadaan, sifat-sifatnya berubah. Misalnya, mereka mungkin memancarkan warna cahaya tertentu atau menjadi magnetis. Jika kita ingin memprediksi dengan lebih baik sifat-sifat sistem pada berbagai keadaan energi, ada baiknya kita memahami sistem ketika berada dalam keadaan paling tidak tereksitasi, yang oleh para ilmuwan disebut sebagai keadaan dasar.

“Banyak ahli kimia, ilmuwan material, dan fisikawan kuantum sedang berupaya menemukan keadaan dasar,” katanya Robert Huang, salah satu penulis makalah baru dan ilmuwan riset di Google Quantum AI. “Ini diketahui sangat sulit.”

Hal ini sangat sulit sehingga setelah lebih dari satu abad bekerja, para peneliti masih belum menemukan pendekatan komputasi yang efektif untuk menentukan keadaan dasar suatu sistem berdasarkan prinsip pertama. Tampaknya juga tidak ada cara bagi komputer kuantum untuk melakukannya. Para ilmuwan telah menyimpulkan bahwa sulit untuk menemukan keadaan dasar suatu sistem baik untuk komputer klasik maupun kuantum.

Namun beberapa sistem fisik menunjukkan lanskap energi yang lebih kompleks. Ketika didinginkan, sistem kompleks ini akan menetap bukan pada keadaan dasarnya, melainkan pada tingkat energi rendah terdekat, yang dikenal sebagai tingkat energi minimum lokal. (Bagian dari Hadiah Nobel Fisika tahun 2021 diberikan untuk karya dalam satu rangkaian sistem, yang dikenal sebagai memutar gelas.) Para peneliti mulai bertanya-tanya apakah pertanyaan untuk menentukan tingkat energi minimum lokal suatu sistem juga sulit dilakukan secara universal.

Jawabannya mulai muncul tahun lalu, ketika Chi-Fang (Anthony) Chen, penulis lain dari makalah terbaru ini, membantu mengembangkan makalah baru algoritma kuantum yang dapat mensimulasikan termodinamika kuantum (yang mempelajari dampak panas, energi, dan kerja pada sistem kuantum). “Saya pikir banyak orang telah [meneliti] pertanyaan tentang seperti apa lanskap energi dalam sistem kuantum, namun sebelumnya tidak ada alat untuk menganalisisnya,” kata Huang. Algoritme Chen membantu membuka jendela tentang bagaimana sistem ini beroperasi.

Setelah melihat betapa hebatnya alat baru ini, Huang dan Leo Zhou, penulis keempat dan terakhir dari makalah baru ini, menggunakannya untuk merancang cara bagi komputer kuantum untuk menentukan keadaan energi minimum lokal suatu sistem, daripada mengejar keadaan dasar yang ideal – sebuah pendekatan yang berfokus pada jenis pertanyaan yang peneliti komputasi kuantum sedang mencari. “Sekarang kita mempunyai masalah: menemukan sejumlah energi lokal, yang secara klasik masih sulit, namun dapat dikatakan sangat mudah,” kata Preskill. “Sehingga hal ini menempatkan kita pada arena yang kita inginkan demi keuntungan kuantum.”

Dipimpin oleh Preskill, para penulis tidak hanya membuktikan kekuatan pendekatan baru mereka untuk menentukan keadaan energi minimum lokal suatu sistem – kemajuan besar dalam bidang fisika kuantum – tetapi juga membuktikan bahwa ini akhirnya menjadi masalah di mana komputer kuantum dapat menunjukkan manfaatnya. “Masalah dalam menemukan nilai minimum lokal memiliki keuntungan kuantum,” kata Huang.

Dan tidak seperti kandidat sebelumnya, kandidat ini mungkin tidak akan dicopot oleh algoritma klasik baru. “[Ini] tidak mungkin didekuantisasi,” kata Choi. Tim Preskill membuat asumsi yang sangat masuk akal dan mengambil sedikit lompatan logis; jika algoritma klasik dapat mencapai hasil yang sama, itu berarti fisikawan pasti salah dalam banyak hal lainnya. “Itu akan menjadi hasil yang mengejutkan,” kata Choi. “Saya akan senang melihatnya, tapi itu akan terlalu mengejutkan untuk dipercaya.” Penelitian baru ini menghadirkan kandidat yang mudah diatur dan menjanjikan untuk menunjukkan keunggulan kuantum.

Untuk lebih jelasnya, hasil baru ini masih bersifat teoritis. Mendemonstrasikan pendekatan baru ini pada komputer kuantum sebenarnya saat ini mustahil. Diperlukan waktu untuk membangun mesin yang dapat menguji keunggulan kuantum masalah secara menyeluruh. Jadi bagi Bravyi, pekerjaannya baru saja dimulai. “Jika Anda melihat apa yang terjadi lima tahun lalu, kita hanya memiliki beberapa komputer kuantum qubit, dan sekarang kita sudah memiliki ratusan atau bahkan 1,000 mesin qubit,” ujarnya. “Sangat sulit untuk memprediksi apa yang akan terjadi dalam lima atau 10 tahun ke depan. Ini adalah bidang yang sangat dinamis.”

Koreksi: 12 Maret, 2024
Artikel ini telah diedit untuk menjelaskan pencarian masalah dengan keunggulan kuantum dengan lebih jelas.