Bagaimana Mekanika Kuantum akan Mengubah Industri Teknologi

Richard Feynman pernah berkata, “Jika Anda berpikir Anda memahami mekanika kuantum, maka Anda tidak memahami mekanika kuantum.” Sementara itu mungkin benar, itu tidak berarti kita tidak bisa mencoba. Bagaimanapun, di mana kita akan berada tanpa rasa ingin tahu bawaan kita?

Untuk memahami kekuatan yang tidak diketahui, kita akan membongkar konsep-konsep kunci di balik fisika kuantum — dua di antaranya, untuk lebih tepatnya (phew!). Ini semua agak abstrak, sebenarnya, tapi itu kabar baik bagi kita, karena Anda tidak perlu menjadi fisikawan teoretis pemenang Nobel untuk memahami apa yang terjadi. Dan apa yang terjadi? Baiklah, mari kita cari tahu.

Membangun dasar

Kita akan memulai dengan sebuah eksperimen pikiran singkat. Fisikawan Austria Erwin Schrödinger ingin Anda membayangkan seekor kucing di dalam sebuah kotak tertutup. Jauh sejauh ini, semuanya baik-baik saja. Sekarang bayangkan sebuah vial yang berisi zat mematikan ditempatkan di dalam kotak. Apa yang terjadi pada kucing? Kita tidak bisa tahu dengan pasti. Jadi, sampai situasi itu diamati, yaitu kita membuka kotak, kucing itu baik mati maupun hidup, atau dalam istilah ilmiah, itu berada dalam superposisi keadaan. Eksperimen pikiran terkenal ini dikenal sebagai paradoks kucing Schrödinger, dan itu menjelaskan salah satu dari dua fenomena utama mekanika kuantum.

Superposisi menentukan bahwa, seperti kucing kesayangan kita, sebuah partikel ada dalam semua keadaan yang mungkin sampai saat partikel itu diukur. “Mengamati” partikel itu segera menghancurkan sifat kuantumnya, dan voilà, itu sekali lagi tunduk pada aturan mekanika klasik.

Sekarang, hal-hal akan menjadi lebih sulit, tapi jangan takut — bahkan Einstein terkejut dengan ide itu. Dijelaskan oleh orang itu sendiri sebagai “tindakan seram di kejauhan”, keterkaitan adalah hubungan antara pasangan partikel — interaksi fisik yang menghasilkan keadaan bersama (atau tidak, jika kita mengikuti superposisi).

Keterkaitan menentukan bahwa perubahan dalam keadaan satu partikel terkait memicu respons langsung dan dapat diprediksi dari partikel lainnya. Untuk memperjelas, mari kita lemparkan dua koin terkait ke udara. Kemudian, mari kita lihat hasilnya. Apakah koin pertama mendarat di kepala? Maka pengukuran koin yang tersisa harus ekor. Dengan kata lain, ketika diamati, partikel terkait saling mengkonter pengukuran satu sama lain. Tidak perlu takut, bagaimanapun — keterkaitan tidak umum. Belum, setidaknya.

Sang pahlawan yang mungkin

“Apa gunanya semua pengetahuan ini jika saya tidak bisa menggunakannya?”, mungkin Anda bertanya. Apa pun pertanyaan Anda, kemungkinan besar komputer kuantum memiliki jawabannya. Dalam komputer digital, sistem memerlukan bit untuk meningkatkan daya pemrosesannya. Jadi, untuk menggandakan daya pemrosesan, Anda hanya perlu menggandakan jumlah bit — ini tidak sama sekali dengan komputer kuantum.

Komputer kuantum menggunakan qubit, unit dasar informasi kuantum, untuk menyediakan kemampuan pemrosesan yang tidak tertandingi bahkan oleh superkomputer paling kuat di dunia. Bagaimana? Qubit superposisi dapat menangani sejumlah hasil potensial (atau keadaan, untuk lebih konsisten dengan segmen sebelumnya) secara bersamaan. Dibandingkan dengan komputer digital, yang hanya dapat menghitung satu perhitungan pada satu waktu. Selain itu, melalui keterkaitan, kita dapat memperkuat daya komputer kuantum secara eksponensial, terutama ketika membandingkannya dengan efisiensi bit tradisional dalam mesin digital. Untuk memvisualisasikan skala, pertimbangkan jumlah daya pemrosesan yang disediakan oleh setiap qubit, dan sekarang gandakan.

Tidak ada yang sempurna

Tapi ada tangkapan — bahkan getaran dan perubahan suhu yang sangat kecil, yang disebut oleh ilmuwan sebagai “kebisingan”, dapat menyebabkan sifat kuantum memudar dan akhirnya, menghilang sama sekali. Sementara Anda tidak bisa mengamati ini secara waktu nyata, apa yang akan Anda alami adalah kesalahan komputasi. Kemerosotan sifat kuantum dikenal sebagai dekoherensi, dan itu adalah salah satu kemunduran terbesar ketika datang ke teknologi yang mengandalkan mekanika kuantum.

Dalam skenario ideal, prosesor kuantum sepenuhnya terisolasi dari lingkungannya. Untuk melakukan ini, ilmuwan menggunakan lemari es khusus, yang dikenal sebagai pendingin kriogenik. Pendingin kriogenik ini lebih dingin daripada ruang antar bintang, dan mereka memungkinkan prosesor kuantum kita untuk menghantarkan listrik dengan hampir tidak ada resistansi. Ini dikenal sebagai keadaan superkonduktif, dan itu membuat komputer kuantum sangat efisien. Sebagai hasilnya, prosesor kuantum kita hanya memerlukan sebagian kecil energi yang digunakan oleh prosesor digital, menghasilkan daya yang jauh lebih besar dan panas yang jauh lebih sedikit dalam proses. Dalam skenario ideal, setidaknya.

Dunia kemungkinan baru

Peramalan cuaca, pemodelan keuangan dan molekuler, fisika partikel… kemungkinan aplikasi untuk komputasi kuantum sangat besar dan menguntungkan.

Masih, salah satu prospek paling menggoda mungkin adalah kecerdasan buatan kuantum. Ini karena sistem kuantum sangat baik dalam menghitung kemungkinan untuk banyak pilihan yang mungkin — kemampuan mereka untuk memberikan umpan balik kontinu ke perangkat lunak cerdas tidak ada bandingannya di pasar saat ini. Dampak yang diestimasikan tidak terukur, meliputi bidang dan industri — dari kecerdasan buatan di industri otomotif hingga penelitian medis. Lockheed Martin, raksasa aerospace Amerika, cepat menyadari manfaatnya, dan sudah memimpin dengan contoh menggunakan komputer kuantumnya, menggunakan itu untuk pengujian perangkat lunak autopilot. Ambil catatan.

Prinsip-prinsip mekanika kuantum juga digunakan untuk menangani masalah keamanan siber. Kriptografi RSA (Rivest-Shamir-Adleman), salah satu metode enkripsi data yang paling umum digunakan di dunia, bergantung pada kesulitan faktorisasi (sangat) besar bilangan prima. Sementara ini mungkin berhasil dengan komputer tradisional, yang tidak efektif dalam memecahkan masalah multifaktor, komputer kuantum akan dengan mudah memecahkan enkripsi ini berkat kemampuan unik mereka untuk menghitung sejumlah hasil secara bersamaan.

Secara teori, distribusi kunci kuantum mengatasi ini dengan sistem enkripsi berbasis superposisi. Bayangkan Anda mencoba mengirimkan informasi sensitif kepada seorang teman. Untuk melakukan itu, Anda membuat kunci enkripsi menggunakan qubit, yang kemudian dikirim ke penerima melalui kabel optik. Jika qubit yang dienkripsi telah diamati oleh pihak ketiga, baik Anda maupun teman Anda akan diberitahu oleh kesalahan yang tidak terduga dalam operasi. Namun, untuk memaksimalkan manfaat dari QKD, kunci enkripsi harus mempertahankan sifat kuantumnya setiap saat. Lebih mudah dikatakan daripada dilakukan.

Makanan untuk pemikiran

Itu tidak berhenti di situ. Pikiran tercerdas di seluruh dunia terus mencoba untuk memanfaatkan keterkaitan sebagai mode komunikasi kuantum. Jauh sejauh ini, peneliti Tiongkok berhasil mengirim pasangan foton terkait melalui satelit Micius mereka selama jarak rekor 745 mil. Itu kabar baik. Kabar buruknya adalah bahwa, dari 6 juta foton terkait yang dipancarkan setiap detik, hanya satu pasang yang selamat dari perjalanan (terima kasih, dekoherensi). Prestasi luar biasa bagaimanapun, eksperimen ini menunjukkan jenis infrastruktur yang mungkin kita gunakan di masa depan untuk mengamankan jaringan kuantum.

Perlombaan kuantum juga menyaksikan kemajuan penting baru-baru ini dari QuTech, pusat penelitian di TU Delft di Belanda — sistem kuantum mereka beroperasi pada suhu lebih dari satu derajat lebih hangat daripada nol absolut (-273 derajat Celsius).

Sementara prestasi ini mungkin tampak tidak signifikan bagi Anda dan saya, kebenaran adalah bahwa, coba demi coba, penelitian yang berani ini membawa kita satu langkah lebih dekat ke teknologi besok. Satu hal yang tetap tidak berubah, bagaimanapun, adalah kenyataan yang mencolok bahwa mereka yang berhasil menguasai kekuatan mekanika kuantum akan memiliki supremasi atas sisanya di dunia. Bagaimana Anda pikir mereka akan menggunakannya?