Bagaimana Mekanika Kuantum akan Mengubah Industri Teknologi

Richard Feynman pernah berkata, “Jika Anda berpikir Anda memahami mekanika kuantum, maka Anda tidak memahami mekanika kuantum.” Meskipun itu mungkin benar, itu tidak berarti kita tidak bisa mencoba. Lagipula, 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 (wah!). 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 Landasan

Kita akan memulai dengan sebuah eksperimen pikiran singkat. Fisikawan Austria Erwin Schrödinger (SDGR ) 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, partikel itu sekali lagi tunduk pada aturan mekanika klasik.

Sekarang, hal-hal akan menjadi lebih rumit, tetapi jangan takut — bahkan Einstein terkejut dengan gagasan itu. Yang digambarkan oleh orang itu sendiri sebagai “tindakan aneh pada jarak”, 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 yang segera dan dapat diprediksi dari partikel terkait lainnya. Untuk memperjelas hal ini, mari kita lemparkan dua koin terkait ke udara. Kemudian, mari kita amati hasilnya. Apakah koin pertama mendarat di kepala? Maka pengukuran koin yang tersisa harus ekor. Dengan kata lain, ketika diamati, partikel terkait saling mengimbangi pengukuran satu sama lain. Tidak perlu takut, meskipun — keterkaitan tidak umum. Belum, setidaknya.

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 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 menghancurkan 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 besar yang disediakan oleh setiap qubit, dan sekarang gandakan itu.

Tidak Ada yang Sempurna

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

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

Dunia Kemungkinan Baru

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

Masih, salah satu prospek yang paling menggoda mungkin adalah kecerdasan buatan kuantum. Ini karena sistem kuantum unggul dalam menghitung kemungkinan untuk banyak pilihan — kemampuan mereka untuk memberikan umpan balik terus-menerus 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 (LMT ), raksasa aerospace Amerika, cepat menyadari manfaatnya, dan sudah memimpin dengan contoh dengan komputer kuantumnya, menggunakannya untuk pengujian perangkat lunak autopilot. Ambil catatan.

Prinsip-prinsip mekanika kuantum juga digunakan untuk mengatasi masalah di bidang 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 menghancurkan 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 ini, Anda membuat kunci enkripsi menggunakan qubit, yang kemudian dikirim ke penerima melalui kabel optik. Jika qubit yang dikodekan telah diamati oleh pihak ketiga, Anda dan teman Anda akan diberitahu oleh kesalahan yang tidak terduga dalam operasi. Namun, untuk memaksimalkan manfaat dari QKD, kunci enkripsi harus mempertahankan sifat kuantum mereka setiap saat. Lebih mudah dikatakan daripada dilakukan.

Makanan untuk Pemikiran

Itu tidak berhenti di situ. Pikiran-pikiran tercerdas di seluruh dunia terus mencoba untuk memanfaatkan keterkaitan sebagai mode komunikasi kuantum. Sejauh ini, peneliti Tiongkok berhasil memancarkan pasangan foton terkait melalui satelit Micius mereka selama jarak rekor 745 mil. Itu kabar baiknya. 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.

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

Sementara prestasi ini mungkin tampak tidak signifikan bagi Anda dan saya, kebenarannya adalah bahwa, coba-coba, penelitian yang sangat 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. Bagaimana Anda pikir mereka akan menggunakannya?