Merupakan fakta yang tidak ilmiah bahwa sembilan dari setiap 10 percakapan teknologi dalam satu tahun terakhir adalah tentang kecerdasan buatan. Namun yang kesepuluh adalah tentang komputasi kuantum. Hanya dalam waktu satu tahun, teknologi masa depan yang abadi tiba-tiba menjadi kenyataan—dengan terobosan besar dalam perangkat keras dan perangkat lunak komputer, investasi publik dan swasta yang signifikan, dan kenaikan harga saham untuk perusahaan di ekosistem kuantum yang sedang berkembang.
Secara sederhana, komputer kuantum berbeda dari komputer “klasik” biasa dalam cara mereka menyandikan informasi. Sementara komputer klasik beroperasi pada kode biner 1 dan 0, yang disimpan sebagai bit, komputer kuantum menggunakan qubit, yang dapat berada dalam beberapa keadaan satu dan nol. Karena arsitektur komputer sangat berbeda, komputer kuantum memecahkan masalah dengan cara yang berbeda—membuat lompatan misterius ketika komputer klasik bergerak selangkah demi selangkah.
Kesalahpahaman yang umum adalah bahwa kuantum adalah tentang membuat komputer jauh lebih cepat – meskipun dalam beberapa kasus ia dapat melakukannya. Harapan sebenarnya dari komputasi kuantum adalah, dengan membuang aturan fisik yang mendefinisikan komputer klasik, ia dapat mengatasi keterbatasannya—melakukan simulasi interaksi tingkat atom dalam bidang kimia, kedokteran, dan ilmu material yang saat ini mustahil, dan memungkinkan prediksi yang mengubah permainan. fenomena kuantum seperti waktu dan pasar keuangan. Komputer kuantum yang cukup canggih – yang menurut banyak ahli dapat dikembangkan oleh negara-negara musuh seperti Tiongkok dalam beberapa tahun ke depan – juga akan menghancurkan algoritma enkripsi data saat ini. (Institut Standar dan Teknologi Nasional Departemen Perdagangan AS mengumumkan pada bulan Agustus algoritma “pasca-kuantum” baru dirancang untuk melawan ancaman).
Berita besar di bidang kuantum bulan ini adalah chip kuantum Quantum AI baru Google, yang disebut Willow, yang mencetak rekor baru dalam uji benchmark kinerja dan menunjukkan pendekatan yang menjanjikan hingga koreksi kesalahan kuantum yang dapat menjadi langkah maju untuk menskalakan sistem kuantum. Willow memerlukan waktu kurang dari lima menit untuk menyelesaikan soal pengambilan sampel lingkaran acak (RCS) yang akan memakan waktu sekitar 10 septillion tahun bagi salah satu superkomputer tercepat saat ini—lebih lama dari keberadaan alam semesta. Masalahnya tidak ada penerapannya di dunia nyata, namun Hartmut Neven, pendiri dan kepala Google Quantum AI, diklaim di blog perusahaan bahwa hasil tes tersebut “memberikan kepercayaan” pada gagasan bahwa kita hidup di multiverse.
Google hanyalah salah satu pemain Teknologi Besar yang bersaing untuk memimpin perlombaan komputasi kuantum. Perusahaan ini menghadapi persaingan yang signifikan dari perusahaan-perusahaan seperti Microsoft, Intel dan, yang paling penting, IBM. Desember lalu, IBM meluncurkan beberapa perangkat keras komputasi kuantum tercanggih yang pernah ada di dunia, termasuk chip Condor – prosesor kuantum 1.121-qubit yang terbesar yang pernah dibuat – dan Quantum System Two yang inovatif, sebuah komputer kuantum modular yang saling terhubung. beberapa chip Heron yang lebih kecil dan tidak terlalu rawan kesalahan. Dan perusahaan ini membuat kemajuan dalam peta jalan kuantumnya, yang menyerukan pengiriman komputer kuantum yang sepenuhnya berguna dan dapat diperbaiki bugnya pada tahun 2029.
Namun perangkat keras hanyalah setengah dari apa yang dibutuhkan untuk mewujudkan tujuan keunggulan kuantum—yaitu, tidak hanya menyelesaikan masalah komputasi dengan lebih cepat, namun juga memecahkan masalah yang saat ini tidak dapat dihitung sama sekali. Komputer kuantum bekerja dengan cara yang sangat berbeda dari komputer klasik dan memerlukan perangkat lunak yang berbeda secara mendasar untuk melakukan sesuatu yang berguna. Perkembangan perangkat lunak semacam itu – algoritma – masih dalam tahap awal.
Selama setahun terakhir, IBM juga melipatgandakan upayanya untuk mengembangkan ekosistem sumber terbuka yang mendukung pengembangan perangkat lunak kuantum baru. Sekitar 250 institusi dan 600.000 pengguna telah mendaftar untuk akses jarak jauh ke IBM Quantum Network. Setelah peningkatan perangkat keras besar-besaran, Pusat Data Kuantum AS di Poughkeepsie, New York kini memiliki lebih banyak komputer kuantum dalam skala besar dibandingkan lokasi lain mana pun di dunia. Pada bulan Oktober, perusahaan membuka pusat data kuantum Eropa pertamanya, di Jerman. Pada bulan Maret, IBM mengumumkan pembaruan besar pada perangkat lunak komputasi kuantum sumber terbuka, Qiskit, dan pada bulan November mengadakan Konferensi Pengembang Quantum yang pertama.
IBM dan Gubernur Illinois JB Pritzker juga baru-baru ini mengumumkan kolaborasi baru untuk mendirikan Pusat Algoritma Kuantum Nasional sebagai bagian dari Taman Kuantum dan Mikroelektronika Illinois Multi-Miliar Dolar yang diperkirakan akan mulai dibangun di Sisi Selatan Chicago pada tahun 2025. Pusat ini akan didukung oleh IBM Quantum System Two dan akan memungkinkan para peneliti Illinois, laboratorium nasional, dan industri untuk mengembangkan algoritme komputasi kuantum untuk kasus penggunaan yang relevan di dunia nyata.
Jay Gambetta, wakil presiden IBM yang bertanggung jawab atas inisiatif kuantum IBM secara keseluruhan, berbicara dengan Perusahaan yang cepat tentang berita utama kuantum terkini, visi kuantum jangka panjang perusahaan, dan pentingnya menjadi pemain tim dalam ekosistem kuantum yang terus berkembang.
Apa pendapat Anda tentang pengumuman Google tentang kinerja komputer kuantum mereka, Willow?
Perangkat mereka sangat mengesankan. Mereka telah membuat kemajuan. Beberapa metriknya lebih baik dari kami; banyak yang tidak. Kami selalu menghindari (membuat) perbandingan buatan dengan perhitungan skala besar, seperti eksperimen pengambilan sampel acak Google, yang menurut mereka tidak memiliki nilai praktis. Dan sejauh yang kami tahu, memeriksa kebenaran perhitungan kuantum ini menggunakan komputer klasik sama sulitnya dengan menjalankan simulasi. Oleh karena itu, perbandingan antara demonstrasi pengambilan sampel lingkaran acak dan perhitungan klasik skala besar yang diperlukan untuk mensimulasikannya adalah buatan.
Kita telah melewati titik yang saya sebut utilitas kuantum, di mana kita dapat melakukan komputasi kuantum yang terlalu rumit untuk disimulasikan pada komputer klasik. Ini merupakan tonggak penting, tapi saya pikir kita ingin mencapai “keunggulan kuantum”, di mana Anda dapat melakukan sesuatu yang tidak dapat Anda lakukan dengan komputer klasik.
Google juga membuat kemajuan signifikan dalam koreksi kesalahan subthreshold, menunjukkan bahwa seiring dengan meningkatnya jumlah qubit yang mereka gunakan di Willow, tingkat kesalahan menurun secara eksponensial—kebalikan dari apa yang biasanya terjadi.
Saya akui bahwa mereka telah membuat kemajuan dalam perangkat koreksi kesalahan. Apa yang mereka lakukan adalah (berdasarkan) kode permukaan (yang menggunakan qubit tetangga untuk “memeriksa” satu sama lain). Ini demonstrasi yang bagus. Kita tahu bahwa kode permukaan, yang diciptakan oleh IBM, tidak dapat benar-benar diskalakan karena adanya hambatan, termasuk overhead qubit fisik yang signifikan dan desain monolitik.
Kami berfokus pada jenis kode berbeda yang disebut pemeriksaan paritas tingkat tinggi dan kepadatan rendah (yang pada dasarnya adalah “pemeriksaan mendadak” pada qubit yang tersebar luas). Kami telah menunjukkan jalur yang layak untuk koreksi kesalahan menggunakan qubit fisik yang 90% lebih sedikit, namun memerlukan lebih banyak “pengemasan” dan desain modular. Kami telah bekerja sangat keras untuk hal itu – dengan konektor baru yang menghubungkan chip yang berdekatan. Jika kita dapat menggabungkan semua bagian ini, Anda dapat membuat kode yang, menurut pendapat saya, benar-benar dapat dibangun. Dan kami sangat yakin bahwa kami akan melakukan perbaikan bug pada tahun 2029.
Jadi Anda masih berada di jalur yang benar dengan peta jalan kuantum yang Anda buat pada tahun 2023?
Kami terus menandai semua yang kami katakan akan kami lakukan. Ada demonstrasi modularitas perangkat keras, dengan Flamingo dan Crossbill (sistem 462-qubit dan 408-qubit yang mengintegrasikan konektor generasi berikutnya), yang merupakan langkah signifikan menuju tujuan akhir kami dalam mengoperasikan komputer kuantum yang toleran terhadap kesalahan.
Namun hal yang menarik adalah bahwa perangkat keras dan perangkat lunaknya bersatu – dan pembaruan terbesar yang kami miliki saat ini adalah untuk Heron. Dengan menggabungkan metode penanganan kesalahan dan sejenisnya, kini kami dapat mengoperasikannya dengan sirkuit presisi hingga 5.000 gerbang dua qubit. Ini adalah sesuatu yang telah kami katakan selama dua tahun yang akan kami capai, dan ini menarik karena sekarang, alih-alih melihat gangguan dalam sistem dan melakukan hal-hal yang sudah mereka ketahui jawabannya, orang-orang malah bekerja (untuk sistem kuantum IBM) dimana mereka tidak lagi mengetahui jawabannya.
Sekitar setahun terakhir, Anda memasang komputer kuantum di Klinik Cleveland dan membangun komputer kuantum pertama di kampus universitas di Institut Politeknik Rensselaer di bagian utara New York. Bagaimana sebenarnya pengembang yang tidak memiliki komputer kuantum berinteraksi dengan sistem IBM saat ini?
Lebih dari 600.000 orang telah mendaftar untuk menggunakan IBM Quantum Network. Dan telah terjadi perubahan dalam cara mereka menggunakan sistem tersebut. Penggunaan rata-rata tahun lalu adalah 13 qubit. Penggunaan rata-rata saat ini, dengan chip Heron, adalah 112 qubit. Ini sangat besar. Seluruh komunitas yang menggunakan sistem ini telah berpindah dari (perhitungan menggunakan) 13 qubit, yang mungkin dapat saya simulasikan dengan ponsel saya, menjadi (yang menggunakan) lebih dari 100 qubit, yang tidak dapat saya simulasikan dengan superkomputer terbaik di dunia. Transisi itu terjadi tahun ini.
Qiskit, SDK (kit pengembangan perangkat lunak) sumber terbuka kami, bekerja dengan sekitar 10 sistem kuantum yang berbeda, termasuk sistem kami sendiri. Ini telah ditingkatkan dan ditingkatkan menjadi lebih cepat, lebih ringan, dan lebih dapat diandalkan. Sebagian besar pengembang, kami tidak membayangkan, sebenarnya ingin menggunakan API tingkat rendah, set instruksi kuantum, jadi kami membuat lapisan abstraksi ini untuk menyederhanakannya sehingga lebih banyak orang dapat memperoleh manfaat darinya. Kami telah membuat sesuatu yang kami sebut katalog Fungsi Qiskit, yang menawarkan perangkat lunak dari mitra startup. Karena semakin banyak fisikawan non-kuantum yang ingin menerapkan komputasi kuantum ke domain mereka, terdapat pergeseran dari penelitian untuk kuantum untuk penelitian dengan kuantum. Lebih dari 3.000 makalah telah diterbitkan menggunakan sistem kami.
Jenis penelitian apa yang dilakukan orang?
Bidang yang menurut saya pribadi menarik adalah hal-hal dalam perhitungan struktur kimia. Klinik Cleveland mempekerjakan seorang ahli kimia yang sangat terkenal, Kenneth Mertz. Dia mendorong batas-batas simulasi interaksi molekuler di komputer klasik, mengembangkan algoritma yang penting untuk aplikasi masa depan dalam penemuan obat dan sejenisnya. Dia sekarang mengambil pengetahuan domainnya dan menerapkannya pada ruang kuantum. Lockheed sedang menjajaki aplikasi kuantum dalam bidang propulsi. Pusat Komputasi Kuantum Riken di Jepang baru-baru ini menerbitkan makalah yang menggunakan komputasi kuantum untuk mensimulasikan interaksi logam besi dan belerang.
Kapan kita mencapai keunggulan kuantum, ketika komputer kuantum dapat melakukan hal-hal yang tidak dapat dilakukan oleh komputer klasik?
Untuk mencapai keunggulan kuantum, di mana Anda dapat melakukan sesuatu yang tidak dapat dilakukan dengan komputer klasik, Anda memerlukan dua hal. Pertama, Anda memerlukan platformnya, dan saya pikir kami telah menunjukkan melalui peningkatan bahwa platform tersebut benar-benar ada. Hal kedua yang Anda perlukan adalah komunitas pakar domain yang melakukan penemuan algoritma. Kemitraan, sejujurnya, adalah pembeda kami. Di IBM Quantum Network, kami memiliki lebih dari 250 anggota yang merupakan ilmuwan yang melakukan penemuan algoritmik. Kini, dengan Pusat Algoritma Kuantum Nasional di Chicago, kami menyatukan akademisi dan industri untuk mewujudkan metode ilmiah. Bagi saya, metode ilmiahnya adalah, Anda membuat hipotesis sebuah prediksi, mengujinya, memastikannya, dan mengulanginya – dan ini bisa terjadi seiring dengan kemajuan perangkat keras. Saya optimis jika kita menerapkan metode ilmiah pada keunggulan kuantum, kita akan melihat kemajuan yang stabil menuju kuantum yang mengambil alih apa yang bisa dilakukan dengan komputasi klasik. Saya sangat optimis bahwa kita akan melihat keuntungan kuantum.
