fisika kuantum

QUANTUM SUPREMACY : THE MILESTONE

L. Tarangga Arief G. Penelitian Terbaik, Riset, Sains Alam, Teknologi , , , 0 Komentar

Fisika kuantum selalu berada dalam keadaan probabilitas. Tidak mungkin memprediksi dengan pasti nilai yang keluar dalam suatu eksperimen kuantum. Hasilnya selalu berada dalam bentuk probabilitas. Gejala aneh dari fisika kuantum inilah yang memberikan inovasi bagi para ilmuwan untuk membuat Quantum Bits atau qubits yang mendasari pembentukan komputer kuantum.  Qubits tak bekerja layaknya bits dalam komputer klasik yang nilainya hanya dapat bernilai 1 atau 0, melainkan Qubits dapat berbentuk 1 dan 0 secara bersamaan dengan peluang tertentu. 

Secara teori, komputer kuantum akan bekerja lebih cepat daripada komputer klasik, dengan bits yang bersifat pasti, ia hanya dapat berada dalam satu keadaan dalam satu waktu, sedangkan komputer kuantum tiap qubits-nya dapat berada dalam 2 keadaan secara bersamaan yang artinya jika suatu komputer kuantum memiliki 53 qubits , ia dapat berada dalam 2^53 keadaan atau sekitar 9 ribu triliun keadaan secara bersamaan. Kecepatan dari Komputer kuantum memang sangat menggugah, namun sayangnya tidak semudah itu untuk didapatkan. Qubits sangatlah tidak stabil, sedikit saja gangguan energi dari tempat lain akan membuat hasil yang berbeda dari yang kita inginkan dan untuk menstabilkannya diperlukan suhu mendekati 0 derajat kelvin.

Karena sulitnya untuk meraih kestabilan qubits seorang fisikawan teoritis John Preskill mengusulkan istilah “Quantum Supremacy”. Quantum Supremacy menyatakan bahwa suatu keadaan dimana komputer kuantum dapat mengalahkan komputer klasik di suatu pekerjaan tertentu tanpa mempertimbangkan kegunaan dari pekerjaan tersebut. Berbagai perusahaan berlomba-lomba untuk membuat tonggak sejarah hingga akhirnya Google mengklaim bahwa ia telah meraih Quantum Supremacy.

PENCAPAIAN GOOGLE

Dalam suatu paper yang diterbitkan oleh Google pada tanggal 23 Oktober 2019 di Jurnal nature. Google menggunakan prosesor yang diberi nama Sycamore dalam komputer kuantumnya. Sycamore dibentuk menggunakan 2 dimensi array yang terdiri dari 54 qubits, setiap qubits dikelilingi oleh 4 qubits lainnya dan antar qubits dihubungkan dengan adjustable coupler. Namun karena ada kendala dalam Sycamore tidak semua qubitsnya bekerja dengan baik, ada 1 qubits tidak bekerja dengan baik, sehingga prosesor Sycamore hanya dapat menggunakan 53 Qubits. Sycamore inilah yang berhasil meraih Quantum Supremacy.

Untuk mendemonstrasikan kemampuan Sycamore, Google menggunakan permasalahan dalam pembuatan bilangan pseudo-random (bilangan acak). Lebih detailnya, bilangan pseudo random adalah bilangan acak yang dihasilkan dengan rumus-rumus matematika karena pembangkitan bilangannya dapat diulang kembali. Bilangan tersebut sangat penting dalam kriptografi.

 Google mengklaim bahwa dengan menggunakan Sycamore google dapat membuat pseudo-random hanya dengan 200 detik sedangkan komputer klasik membutuhkan waktu sekitar 10.000 tahun untuk menyelesaikan permasalahan ini.

HARAPAN


 Pembuatan bilangan random dengan menggunakan komputer kuantum memang tidak memiliki nilai guna praktis, namun Quantum Supremacy dapat dikatakan sebagai tonggak sejarah manusia dalam perkembangan komputer kuantum. Seperti yang dikatakan oleh profesor MIT, William Oliver, “It is what the event represented, rather than what it practically accomplished, that was paramount, (itu adalah tentang hal yang direpresentasikan, bukan tentang kegunaan praktis yang diperoleh, itu lah yang terpenting)”.

Komputer kuantum layaknya komputer pada zaman dahulu yang memiliki ukuran hingga 15 meter dengan bobot 5 ton dan memiliki kemampuan komputasi yang sangat rendah, bayangkan saja untuk menjumlahkan 2 buah bilangan dibutuhkan ⅓ detik sedangkan untuk mengalikan 2 buah bilangan dibutuhkan waktu 1 detik untuk diselesaikan. Namun bukan berarti penelitian komputer klasik dihentikan, komputer klasik akhirnya berkembang secara eksponensial, harga dari komputer berkurang setengahnya dan jumlah transistor dalam microchip meningkat dua kali lipat tiap 18 bulan. Dengan melihat sejarah komputer dahulu besar kemungkinan komputer kuantum akan melalui hal yang sama, atau bahkan lebih baik, kemampuan komputasi dalam komputer kuantum diharapkan tidak hanya  berkembang secara exponential melainkan dapat bekerja secara double-exponential, hingga dapat dijual dipasaran dan dapat digunakan oleh masyarakat umum.

Referensi

Berhasilnya Teleportasi Kuantum Antara 2 Qubit

Jessica Laura Chrisanto Sains Alam, Warstek Advance , , , , , , , , 0 Komentar
Berhasilnya Teleportasi Kuantum Antara 2 Qubit

Komputer kuantum adalah salah satu penerapan dari ilmu fisika kuantum. Komputer ini memiliki potensi besar untuk secara efektif dan efisien memecahkan masalah kompleks yang sulit dipecahkan dengan komputer biasa.

Bagaimanapun juga, merancang prosesor kuantum dalam skala besar sangatlah menantang karena rentan terjadinya error di sistem kuantum yang berbeda dengan error pada komputer biasa.

“Penghitungan kuantum diselesaikan dengan bit data yang disebut qubit yang rentan terhadap error,” ujar Professor Schoelkopf, ketua tim dari penelitian ini.

Qubit (singkatan dari quantum bit) sendiri adalah unit dasar informasi dalam komputer kuantum. Bedanya bit biasa dengan qubit adalah informasi yang ada di dalamnya. Bit hanya dapat membawa 1 informasi yakni apakah 1 atau 0, sementara qubit bisa mewakili beberapa informasi secara bersamaan.

Cara untuk menyikapi tantangan ini adalah dengan menggunakan modularitas, suatu strategi yang sering digunakan dalam bidang engineering untuk membuat sistem kompleks.

Peneliti dari Yale University mendemonstrasikan kunci dari pembuatan arsitektur untuk modular komputer kuantum. Mereka menyebut ini “teleportasi dari gerbang kuantum antara dua qubit”, seperti yang telah dipublikasikan dalam jurnal ilmiah berjudul Deterministic teleportation of a quantum gate between two logical qubits.

“Arsitektur modular kuantum terdiri dari beberapa modul yang berfungsi sebagai prosesor kuantum kecil yang jika saling terhubung akan membentuk suatu  prosesor kuantum besar,” ujar Professor Robert Schoelkopf dan Dr. Kevin Chou, beserta rekan kerjanya.

“Dalam arsitektur ini, modul terisolasi satu sama lain secara natural sehingga error pada sistem yang lebih besar dapat dicegah,” tambahnya.

Prinsip utama dibalik proyek baru ini adalah dengan menerapkan teleportasi kuantum, suatu keunikan dari mekanika kuantum.

Teleportasi kuantum adalah proses memindahkan materi/energi dari satu posisi ke posisi lain secara cepat dengan menggunakan prinsip mekanika kuantum, yaitu quantum entanglement.

Teleportasi kuantum ini sebelumnya telah digunakan untuk mentransmisikan 2 keadaan kuantum yang tidak diketahui tanpa mengirimkan keadaan itu sendiri secara fisik. Tetapi, teleportasi kuantum ini hingga kini belum juga direalisasikan sebagai suatu operasi deterministik.

konstruksi dari arsitektur modular dan teleportasi gerbang kuantum

Para peneliti tersebut mendemonstrasikan operasi kuantum (melalui eksperimen), tanpa bergantung dari interaksi langsung dengan menggunakan protokol teoretis yang dikembangkan di tahun 1990-an.

Protokol ini berpedoman pada entanglement, bersamaan dengan operasi lokal dan komunikasi klasik antara 2 sistem. Jika digabung, elemen-elemen ini dapat membedakan karakteristik informasi yang masuk lewat protokol teleportasi itu. Hal ini dapat menentukan informasi mana yang dikirim melalui saluran kuantum dan yang mana yang lewat saluran klasik.

demonstrasi dari teleportasi gerbang kuantum deterministik.
demonstrasi dari teleportasi gerbang kuantum deterministik.

Demonstrasi ini beroperasi pada qubit data yang dikodekan secara logistik. Qubit logis 2 dimensi dikodekan dalam dimensi lebih tinggi dengan sifat simetri. Tujuannya agar dapat terjadinya pendeteksian dan koreksi dari error, terutama pada kejadian photon-loss, yaitu error yang sering terjadi di sistem kuantum.

“Dalam eksperimen sistem kuantum, qubit logis dimonitor oleh qubit tambahan untuk mendeteksi dan memperbaiki error secara langsung,” ujarnya.

Selain secara logis, mereka juga mendemonstrasikan gerbang teleportasi dengan pengkodean Fock untuk menspesifikasikan qubit data. Karena bukan pengkodean logistik, maka cara ini tidak dapat membetulkan kesalahan kuantum. Tapi, dengan menspesifikasikan data,hal ini mempermudah mereka untuk mengekstrak qubit untuk diteleportasikan dengan alat yang ada.

Dr. Kevin Chou dan rekannya menjalankan 2 modul yang masing-masing terdiri atas cekungan microwave superkonduktor (sebagai qubit data) dan sebuah transmon (sebagai qubit komunikasi).

Setiap modulnya dihubungkan dengan JPC untuk hasil pengukuran transmon (qubit komunikasi) yang cepat dan berketelitian tinggi. Pada eksperimen ini, para peneliti berhasil mencapai ketelitian 99.4%.

Sebelum eksperimen, semua sistem berada di kondisi ground. Lalu, mereka menentukan kondisi awal dari qubit komunikasi untuk dikirim ke qubit data melalui pengkodean sebagai kondisi awal dari qubit data. Hal ini didesain agar qubit komunikasi bisa kembali ke posisi ground setelahnya, sehingga bisa melakukan teleportasi berikutnya.

Setelah proses teleportasi dilakukan, para peneliti menganalisa keadaan qubit logis dan mengekstrak fungsi wigner untuk menganalisa keadaan akhir.

Bulatan logical bloch pengkodean kode binomial. secara logis qubit data dikodekan dalam basis kode binomial dan fungsi wigner.
Bulatan logical bloch pengkodean kode binomial. secara logis qubit data dikodekan dalam basis kode binomial dan fungsi wigner.

Dibuatnya 6 kondisi sebelum dan sesudah rotasi untuk quantum process tomography, menghasilkan 1296 pengaturan. Setiap pengaturan terdiri dari 2500 pertengahan. Dan masing-masing error statistik yang diekstrak dari analisis bootstrap menjadi kurang dari 1%. Dengan demikian, eksperimen ini bisa dibilang berhasil.

Referensi.

1] Yale University. 2018. Researchers ‘teleport’ a quantum gate. Diakses dari https://m.phys.org/news/2018-09-teleport-quantum-gate.html pada tanggal 9 September 2018.

[2] News Staff/Source. 2018. Physicists Demonstrate ‘Teleportation’ of Quantum Gate between Two Qubits. Diakses dari http://www.sci-news.com/physics/quantum-gate-teleportation-06382.html pada tanggal 9 September 2018.

[3] Chou, Kevin S. dkk. 2018. Deterministic teleportation of a quantum gate between two logical qubits. Nature research letter.

Menilik Model Matematika dari Mesin Waktu yang Dirumuskan Fisikawan

Jessica Laura Chrisanto Sains Alam , , , , , , 0 Komentar
Menilik Model Matematika dari Mesin Waktu yang Dirumuskan Fisikawan

Dua orang fisikawan dunia telah angkat bicara dan mengklaim bahwa mereka menemukan sebuah model matematika yang bisa digunakan untuk membuat mesin waktu teoretis. Mesin waktu teoretis tersebut berupa sebuah “kotak” yang dapat bergerak melalui ruang dan waktu, baik maju ke masa depan maupun mundur ke masa lalu. Dua orang fisikawan tersebut adalah Benjamin K. Tippett dari University of British Columbia Kanada dan David Tsang dari University of Maryland Amerika. Kajian teoretis mereka berdua dipublikasikan di jurnal Classical and Quantum Gravity pada 31 Maret 2017. Jurnal Classical and Quantum Gravity merupakan jurnal dengan rank Q1 yang memiliki H-index 137.

Benjamin dan David mengungkapkan bahwa cara membuat mesin waktu adalah menggunakan lengkungan dari ruang dan waktu untuk membengkokkan waktu ke sebuah lingkaran, yang mana lingkaran itu nantinya membawa seseorang (yang ada di dalam kotak itu) untuk menjelajahi waktu ke masa depan maupun ke masa lampau.

Ilustrasi penjelajah waktu yang menggunakan “kotak” untuk dapat menuju masa lalu dan masa depan. Waktu yang dialami oleh orang di A (penjelajah) dan di B (pengamat) tentu akan berbeda.

“Orang-orang berpikir kalau penjelajahan waktu adalah sesuatu yang fiksional,” ujar Benjamin. “Dan kami cenderung berpikir itu (mesin waktu) tidak mungkin karena kami tidak benar-benar melakukannya. Tapi, secara matematis, itu (mesin waktu) mungkin.”

Bersama dengan David, Benjamin mendasarkan model matematisnya pada Teori Relativitas Umum, yang kemudian modelnya ini disebut sebagai Traversable Acausal Retrograde Domain in Space-time (TARDIS).

Model ini tidak lagi memandang alam semesta dengan 3 dimensi spasial bersama dimensi keempat (waktu) secara terpisah, melainkan dengan mengilustrasikan 4 dimensi itu secara bersamaan. Atau singkatnya, mereka berdua memandang bahwa dimensi ruang dan dimensi waktu harus dilihat secara bersamaan.

Untuk memahami maksud dari konsep yang mereka ajukan, sangatlah penting untuk mengerti konsep Fisika dari “ruang dan waktu”. Hal ini dikarenakan dalam ilmu Fisika, kita tidak bisa memisahkan “ruang” dari “waktu” maupun sebaliknya, melainkan “ruang dan waktu” adalah suatu kesatuan.

Ruang-waktu adalah suatu konsep fundamental dalam Teori Relativitas Umum Einsten, yang mana konsep tersebut merupakan pemahaman terbaik tentang gravitasi yang dimiliki umat manusia sejauh ini.

Relativitas Umum menyatakan bahwa suatu objek cenderung mengikuti jalan terdekat melalui ruang dan waktu. Jadi, kunci utama dari ide mesin waktu ini adalah jalan yang dilalui oleh suatu objek itu bergantung pada geometri dari ruang-waktu itu sendiri. Geometri eksotis yang diajukan oleh Benjamin dan David memperbolehkan penjelajahan waktu.

Geometri eksotis sendiri adalah kelas ketiga dari geometri, yang mana dapat memperbolehkan terjadinya penjelajahan dengan kecepatan cahaya. Hal ini terjadi dengan menggunakan eksistensi dari closed timelike curves (CTCs). Berikut adalah bentuk metrik persamaan matematis dari geometri eksotis tersebut:

Bentuk metrik persamaan matematis dari geometri eksotis yang diajukan.

Benjamin dan David mengajukan beberapa ‘gelembung’ geometri yang dapat bergerak dalam putaran melingkar, yang mana secara matematis, jika gelembung ini dapat mencapai lebih dari kecepatan cahaya, waktu dapat berjalan mundur.

Evolusi dari batas-batas gelembung, seperti yang dilihat oleh pengamat dari luar gelembung.

Pengamat yang bergerak dalam gelembung ini dapat bergerak “bebas” dalam dimensi waktu, sementara pengamat yang ada di luar dapat mengamati penjelajah waktu dalam gelembung yang bergerak mundur dalam waktu dan “membuat utuh kembali” gelembung yang pecah.

Bagaimana pun juga, bersamaan dengan penggunaan eksistensi closed timelike curves (CTCs), hukum sebab-akibat tidak lagi berlaku. Lintasan dalam dimensi waktu adalah putaran tertutup, dan mengakibatkan suatu kejadian dapat terjadi secara bersamaan dengan penyebabnya.

Hal ini pun memunculkan suatu paradoks. Dimana seharusnya kejadian A menyebabkan kejadian B, tapi lewat penjelajahan waktu, semuanya berubah. Bisa saja kejadian B itulah yang malah menyebabkan terjadinya kejadian A.

Hukum sebab-akibat yang menjadi tidak berlaku membawa ruang bagi kemungkinan yang berkaitan dengan keberadaan “kehendak bebas” yang tidak bisa dihindari. Bagaimana pun juga, keadaan ini menjadi sangatlah filosofis.

Sebelum kita terhanyut dalam ide besar dari penjelajahan waktu ini, harus kita sadari bahwa para peneliti tidak dapat memastikan bahwa kita dapat membangun mesin waktu ini di jangka waktu saat ini.

Para fisikawan mengatakan bahwa materi eksotis yang dibutuhkan untuk merealisasikan model mesin waktu ini sangatlah langka, yang bahkan kita belum berhasil menemukannya.

 

Referensi

[1] Bec Crew. 2018. Physicists Say They’ve Come Up With a Mathematical Model For a Viable Time Machine. Diakses pada tanggal 4 September 2018.

[2] Shatwell, Peter. 2017. New Mathematical Model For Time Machine Proposed. Diakses  pada tanggal 4 September 2018.

[3] Ingham, Lucy. 2017. Time Travel Is Possible, According to Mathematical Model. Diakses pada tanggal 4 September 2018.

[4] Tippett, B.K. and Tsang, D., 2017. Traversable acausal retrograde domains in spacetime. Classical and Quantum Gravity, 34(9), p.095006..