Keagungan Kuantum: Menerobos Ke Masa Hadapan Dengan Dentuman Halilintar

Hingar-bingar dunia sains pengkomputeran apabila pasukan penyelidik dari Google mengumumkan bahawa mereka telah berjaya mencapai keagungan kuantum (quantum supremacy). Pengumuman ini dilakukan oleh CEO Google, Sundar Pichai, setelah rencana ilmiah diterbitkan oleh pasukan penyelidik pada laman jurnal Nature bertarikh 23 Oktober 2019. Kami di Amanz teruja untuk berkongsi dengan pembaca-pembaca kami akan peristiwa ini kerana impaknya yang bakal memacu bidang sains ke hadapan.

Pemahaman terhadap istilah “kuantum” harus diperhalusi sebelum kita bergerak dengan lebih lanjut. Istilah “kuantum” merujuk kepada entiti fizik dalam unit terkecil dan pada jumlah yang minimum bagi membolehkan interaksi antara satu sama lain berlaku. Sebagai contoh, ia boleh dirujuk kepada interaksi zarah subatomik (subatomic particle) elektron yang berinteraksi dalam kepulan awan elektron (electron cloud) pada satu unit atom. Dalam erti kata lain, istilah kuantum merujuk kepada interaksi yang berlaku pada skala kuantum (quantum scale), lazimnya mustahil untuk digarap dengan pancaindera manusia tanpa bantuan teknologi.

Apabila istilah “kuantum” dipasangkan bersama istilah “pengkomputeran”, ia merujuk kepada usaha untuk memanfaatkan sifat-sifat kuantum (quantum properties) bagi melakukan pengiraan. Kita sama-sama akan menelusuri apakah yang dimaksudkan dengan istilah pengkomputeran kuantum dalam rencana ini dan kelebihannya berbanding pengkomputeran klasik.

Istilah “quantum supremacy” boleh diterjemahkan kepada “ketuanan kuantum”, “keunggulan kuantum”, atau “keagungan kuantum”. Saya menggunakan terjemahan “keagungan” kerana ia nampak lebih elegan, sesuai dengan konteks perbincangan, dan tidak membawa konotasi negatif sebagaimana yang dipancarkan oleh istilah “ketuanan”. Sebagai makluman tambahan, tidak semua istilah saintifik akan saya terjemahkan secara terus ke dalam istilah bahasa.

Rencana ini dibahagikan kepada beberapa bahagian: pengolahan pengkomputeran klasik dan fungsinya, pengenalan kepada pengkomputeran kuantum dan penjelasan ringkas kuantum mekanik, modus operandi pengkomputeran kuantum, pengenalan kepada cip pemprosesan kuantum “Sycamore” oleh Google, eksperimen bukti konsep (proof-of-concept) keagungan kuantum, serta implikasi teknologi untuk masa hadapan.

Sebelum kita melangkah lebih jauh, saya ingin memberikan amaran bahawasanya rencana ini mungkin terlalu panjang dan padanya terdapat konsep-konsep yang memerlukan para pembaca mengulanginya beberapa kali. Hal ini kerana topik pengkomputeran kuantum sebenarnya topik perbincangan ceruk (niche area). Bahkan, topik ini mustahil untuk dirumuskan secara lengkap dalam bentuk infografik mahupun video pendek berdurasi kurang 15 minit. Tanpa berlengah lagi, sama-sama kita mulakan perbincangan mengenai topik pengkomputeran kuantum dan keagungannya.

Pengkomputeran Klasik dan Kuantum

Sebelum kita mendalami mekanisme pengkomputeran kuantum, perbincangan berkaitan mekanisme pengkomputeran klasik (classical computing) perlu diolah terlebih dahulu. Perbincangan ini dipisahkan kepada dua sudut pandang yang berkait rapat antara satu sama lain.

Sudut pandang pertama ialah bagaimana pengkomputeran klasik mengendali perwakilan informasi (representation of information). Pada dasarnya, informasi digital menggunakan angka 0 (mewakili ketiadaan isyarat) ataupun 1 (mewakili wujudnya isyarat). Sistem perwakilan 0 atau 1 ini dikenali sebagai sistem binari. Setiap satu isyarat dinamakan sebagai bit, singkatan kepada binary digit. Apabila lapan bit dikodkan bersama, ia dinamakan sebagai byte (8 bit = 1 byte).

Sudut pandang kedua ialah bagaimana konsep perwakilan informasi ini diterjemah kepada pelaksanaan fizikal seperti peranti elektronik. Sebelum dunia pengkomputeran memutuskan untuk menggunakan peranti semikonduktor (semiconductor device) transistor sebagai pelaksanaan sejagat (universal implementation), pelbagai pelaksanaan primitif telah direka sebagai cubaan untuk menyandarkan (encode) informasi dalam sistem binari. Contoh pelaksanaan primitif ialah punched card (Semyon Korsakov, 1832; IBM, 1924) dan suis raksa (mercury switch). Tanpa menggali secara mendalam cara dua peranti ini berfungsi, ringkasnya kedua-duanya menyandarkan informasi dalam bentuk sistem binari.

Sejarah inovasi transistor bermula seabad yang lalu dengan reka bentuk awal dalam bentuk tiub vakum (vacuum tube) pada tahun 1904 di Lancaster, United Kingdom. Kehadiran teknologi ini membenarkan bidang elektronik untuk mengorak langkah dalam dunia telekomunikasi apabila rekaan transistor awal membolehkan penyiaran radio jarak jauh direalisasikan. Selang beberapa dekad kemudian pada pertengahan abad ke-20 (sekitar 1940 – 1960), dunia elektronik memacu ke hadapan dengan pelbagai inovasi baharu transistor yang lebih efisien. Tanpa mengolah dengan lebih dalam, inovasi transistor yang berlaku pada pertengahan abad ke-20 ini merupakan peristiwa penting dalam sejarah peradaban manusia.

Transistor merupakan peranti semikonduktor berbilang fungsi. Seingat saya sewaktu menelaah nota ketika bersedia untuk menjawab peperiksaan SPM bagi subjek fizik, kami ditekankan untuk memahami fungsi transistor sebagai peranti penguat isyarat (signal amplifier): signal yang memasuki peranti transistor diperkuat beberapa kali ganda. Konsep ini merupakan asas kepada fungsi transistor khususnya bagaimana kekuatan bunyi yang dipancarkan boleh ditala. Selain daripada fungsinya sebagai penguat isyarat, transistor merupakan unit asas yang penting dalam litar digital (digital circuit) yang mana fungsi utamanya sebagai suis, ataupun lebih tepat lagi sebagai logic gates. Pada dasarnya, satu unit transistor boleh menjalankan operasi dengan menerima satu input dan mengeluarkan output yang disandarkan kepada sistem binari (0 atau 1). Apabila beberapa transistor diaturkan dalam satu litar dengan konfigurasi tertentu, anda kini menghasilkan satu sistem yang boleh menerima beberapa input dan menghasilkan output berdasarkan konfigurasi litar transistor berkenaan.

Sudah pasti komunikasi antara dua unit transistor sahaja tidak cukup untuk melakukan pengiraan yang rumit. Terdapat pelbagai konfigurasi transistor selain yang digambarkan pada rajah di atas. Sebagai konteks, cip pemprosesan Intel 8086 (tahun 1976), iaitu cip pemprosesan pertama dalam keluarga x86, mempunyai 29,000 transistor. Cip pemprosesan moden seperti Intel Core generasi pertama ”Nehalem“ mempunyai bilangan transistor melebihi 2 bilion. Untuk makluman, bilangan transistor yang dinyatakan di sini berlainan mengikut model; cip Core i7 untuk peranti mudah-alih mempunyai bilangan transistor yang lebih rendah berbanding cip Core i7 untuk desktop.

Perbincangan mengenai bilangan dan saiz transistor merupakan topik menarik untuk dihuraikan dengan mendalam, lebih-lebih lagi sejak kebelakangan ini syarikat-syarikat semikonduktor Intel dan AMD bersaing untuk menghasilkan cip pemprosesan dengan saiz transistor yang kecil (istilah: process node). AMD hadir dengan cip pemprosesan 7 nm, mendahului cip pemprosesan Intel yang bersaiz 10 nm yang sekian lama tertunda dalam pengeluaran. Namun begitu, perbincangan mengenai maksud di sebalik 7 nm dan 10 nm tidak termasuk dalam skop perbincangan rencana ini.

Di sini kami berminat untuk menghuraikan secara ringkas dua konsep yang berkait rapat dengan saiz/bilangan transistor dan prestasi pengkomputeran (computing performance), iaitu Moore’s Law dan Dennard Scaling. Moore’s Law merujuk kepada pemerhatian yang dibuat oleh Gordon Moore pada tahun 1965–75. Beliau merupakan seorang jurutera dan pengasas bersama syarikat Intel. Moore’s Law menyatakan bahawa bilangan transistor pada litar bersepadu (integrated circuit, contohnya pada cip pemprosesan) akan meningkat dua kali ganda setiap dua tahun. Pemerhatian beliau masih terbukti benar sehingga kini, namun desas-desus mengatakan bahawa industri mungkin akan tidak mampu untuk mencapai sasaran peningkatan dek kekangan teknologi.

Sungguhpun Moore’s Law meramalkan bilangan transistor akan meningkat saban tahun dan menyiratkan bahawa prestasi pengkomputeran akan meningkat seiring dengan peningkatan bilangan transistor, Robert Dennard pada tahun 1974 mengutarakan secara jelas melalui teorinya yang dinamakan Dennard Scaling bahawa saiz fizikal transistor yang semakin mengecil akan memberikan pelbagai kelebihan, antaranya penggunaan tenaga dan penghasilan haba yang rendah. Teori ini merupakan antara sebab mengapa industri semikonduktor bersaing untuk menghasilkan transistor bersaiz kecil kerana ia lebih efisien.

Terdapat beberapa topik yang ingin saya bincangkan mengenai kemajuan yang telah dicapai dalam industri penghasilan cip pemprosesan seperti teknologi litografi, algoritma pipelining, clock speed, instruction per cycle (IPC), dan sebagainya, namun kita masih belum menyentuh pun lagi topik pengkomputeran kuantum. Saya berharap pada masa hadapan kita mempunyai ruang dan peluang untuk berbahas topik-topik yang dinyatakan sebentar tadi.

Sebelum anda berganjak ke segmen yang seterusnya, sistem penghadaman anda terlebih dahulu haruslah mencerna informasi di atas, khususnya dua sudut pandang pengolahan sistem pengkomputeran klasik iaitu dari sudut perwakilan informasi (0 atau 1) dan juga sudut pelaksanaan peranti elektronik (transistor dan litar digital). Penjelasan mengenai mekanisme pengkomputeran kuantum akan mengambil struktur penjelasan yang sama, yakni dari sudut perwakilan informasi dan pelaksanaan fizikal/elektronik. Jika anda mempunyai persoalan kenapa pemahaman terhadap pengkomputeran klasik ini penting, jawapan saya ialah mekanisme pengkomputeran kuantum beroperasi dengan konsep yang berbeza, dan keupayaannya hanya dapat dihargai jika anda mempunyai asas bagaimana pengkomputeran klasik melakukan pengiraan.

Bagaimanakah pula pengkomputeran kuantum melakukan perwakilan informasi? Sudut pandang perwakilan bagi pengkomputeran kuantum terbahagi kepada dua konsep: konsep pertama sama seperti perwakilan yang dilakukan oleh pengkomputeran klasik iaitu sistem binari, manakala konsep kedua ialah superposisi kuantum (quantum superposition). Jika konsep pertama menyatakan bahawa informasi hanya boleh berada dalam bentuk 0 atau 1 pada satu-satu masa, konsep superposisi kuantum menyatakan bahawa informasi boleh berada dalam bentuk 0, atau 1, atau apa-apa nilai di antara 0 atau 1 pada satu-satu masa. Secara ringkasnya (dan mungkin sedikit kurang tepat), pengkomputeran kuantum boleh melakukan penyandaran pada tiga nilai yang berlainan iaitu 0, 1, atau 0:1 (mewakili sebarang nilai antara 0 dan 1).

Terdahulu, saya ingin menyatakan bahawa sebarang usaha untuk menghuraikan maksud superposisi kuantum tanpa menggunakan pemodelan matematik (mathematical modeling) merupakan perbuatan yang merugikan kerana pemahaman matematik merupakan prasyarat untuk mendalami tingkah laku fizik pada skala kuantum. Namun begitu, untuk kepentingan dan skop artikel ini, saya akan menggunakan analogi bagi menyampaikan informasi dengan pengenalan yang lembut. Walaupun analogi merupakan salah satu cara untuk mempersembahkan konsep yang sukar, harus kita sedari bahawa pada analogi terdapat kecacatan yang tersirat.

Lazimnya, perbincangan superposisi kuantum ditemani dengan konsep yang dikenali sebagai Schrödinger’s cat. Konsep ini menyatakan bahawa ada seekor kucing yang diletakkan di dalam sebuah kotak yang legap dan di dalam kotak berkenaan terdapat satu tong kecil yang diisi dengan gas beracun dan bahan radioaktif. Pada satu-satu masa, terdapat kebarangkalian bahan radioaktif akan melalui proses pereputan (radioactive decay) lalu menyebabkan gas beracun tersebar dan mengakibatkan kematian kucing. Akan tetapi, proses pereputan ini merupakan proses yang rawak (stochastic) dan mungkin tidak berlaku. Maka pada hemat si pemerhati yang meletakkan kucing di dalam kotak legap berkenaan, beliau beranggapan bahawa kucing tersebut hidup dan juga mati pada waktu yang sama. Fenomena ini dirujuk sebagai superposisi kuantum. Dalam erti kata lain, tanpa adanya pemerhati yang mengetahui sama ada kucing tersebut hidup (nilai 1) atau mati (nilai 0) pada satu-satu masa, maka ia diandaikan hidup dan juga mati pada waktu yang sama (nilai 0:1).

Jika penjelasan di atas menyebabkan anda keliru bagaimana nilai 0:1 boleh melonjakkan prestasi pengkomputeran, mungkin analogi yang seterusnya boleh membantu. Bayangkan sistem binari sebagai objek pada 2 dimensi dan sistem kuantum sebagai objek pada 3 dimensi. Sekarang, gambarkan pula sistem binari ini dipersembahkan sebagai sekeping papan plywood manakala sistem kuantum sebagai sebuah kiub yang berongga.

Bayangkan anda sedang cuba untuk mengangkut air dari perigi ke dapur dengan menggunakan salah satu daripada dua objek ini. Kemudian, bandingkan isi padu air yang dapat anda bawa dengan menggunakan sekeping papan plywood dan sebuah kiub. Untuk membawa jumlah isi padu air yang setanding dengan sebuah kiub, papan plywood yang diperlukan mestilah digunakan dalam kuantiti yang banyak, ataupun anda perlu berulang-alik dengan kerap dari perigi ke dapur. Ringkasnya (dan mungkin sedikit kurang tepat), penambahan satu dimensi pada pengkomputeran kuantum meningkatkan keupayaannya untuk memproses dan melakukan pengiraan berkali-kali ganda.

Sekalung penghargaan kepada anda kerana anda berjaya memahami asas pengkomputeran kuantum. Namun saya ingin sampaikan dua berita buruk: (1) perbincangan kita masih panjang kerana kita belum lagi mengolah pelaksanaan fizikal pengkomputeran kuantum, dan (2) kita masih lagi jauh untuk sampai ke segmen perbincangan “keagungan” kuantum. Sesungguhnya rencana ini terlalu sarat dengan informasi yang mencabar untuk dicerna. Saya sangat mengalu-alukan agar anda berehat terlebih dahulu sambil menikmati secangkir kopi sebelum kembali mendalami dengan lebih lanjut.

Persoalan seterusnya ialah bagaimana pula konsep superposisi kuantum diterjemahkan kepada pelaksanaan fizikal? Sebagai konteks, untuk menterjemah nilai 0 dan 1 dalam tatatanda (notation) isyarat elektrik, ia merupakan masalah remeh yang boleh ditangani dengan mudah. Seperti yang telah kita bincangkan, 0 mewakili ketiadaan isyarat dan 1 mewakili kewujudan isyarat di dalam litar. Apakah yang kita perlukan untuk mewakili isyarat 0:1?

Terdapat beberapa keperluan asas yang harus dipenuhi untuk membina sistem pengkomputeran kuantum. Rencana ini tidak akan menelusuri kesemua keperluan asas kerana dikhuatiri rencana ini bertukar menjadi buku teks fizik. Jika pengkomputeran klasik merujuk informasi sebagai bit, versi yang setara dalam pengkomputeran kuantum ialah qubit. Bagi membina qubit, ia perlu (1) mempamerkan sifat-sifat kuantum mekanik seperti superposisi kuantum dan keterlibatan kuantum (quantum entanglement); (2) perlu dijalankan pada suhu yang amat rendah iaitu hampir tetapi tidak mencapai suhu 0 Kelvin, juga dikenali sebagai near absolute zero temperature; (3) mempamerkan kadar ralat (error rate) yang rendah; (4) boleh dikawal dan diukur; dan lain-lain lagi.

Untuk makluman pembaca, di sini saya tidak menyertakan perbincangan berkenaan aspek kedua sifat-sifat kuantum mekanik selain superposisi kuantum yang menjadi faktor mengapa pengkomputeran kuantum begitu berkuasa jika dibandingkan dengan pengkomputeran klasik. Aspek tersebut dikenali sebagai keterlibatan kuantum (quantum entanglement). Pada pendapat saya, konsep ini sukar untuk dijelaskan dengan mudah dan memerlukan kepada beberapa prasyarat seperti pemahaman sifat-sifat zarah subatomik. Namun, ingin saya tekankan bahawa keterlibatan kuantum merupakan salah satu faktor yang penting dalam pembikinan cip pemprosesan kuantum.

Sama seperti sejarah pelaksaan pengkomputeran klasik sebelum hadirnya teknologi transistor, pelaksanaan fizikal pengkomputeran kuantum ialah melalui beberapa siri lelaran (series of iterations). Ketika rencana ini sedang ditulis, saya difahamkan bahawa teknologi yang sedang menjadi kegemaran penyelidik ialah logam superkonduktor (superconducting metal). Ringkasnya, teknologi logam superkonduktor memenuhi keperluan-keperluan asas untuk menghasilkan qubit. Mungkin pada masa akan datang jika berkesempatan, kita akan mengolah dengan lebih lanjut pelaksanaan fizikal pengkomputeran kuantum.

Menyelesaikan Masalah Pada Skala Kuantum

Sudah menjadi lumrah setiap inovasi baharu mempunyai susur galur yang panjang. Sekalipun Alan Turing merupakan insan pertama yang hadir dengan model komputer tujuan umum (general purpose computer) ketika Perang Dunia Kedua, sejarah pengaturcaraan dibuka tirainya seawal 1840 oleh Ada Lovelace dan beliau sekaligus dinobatkan sebagai pengaturcara pertama dalam sejarah ketamadunan manusia.

Menelusuri susur galur sejarah pengkomputeran kuantum, ia disingkap dengan soalan yang diutarakan oleh ahli fizik masyhur, Richard Feynman, pada tahun 1981 dengan kuliah yang bertajuk “Simulating Physics with Computers”. Feynman hadir dengan persoalan adakah pengkomputeran klasik mempunyai kuasa yang cukup untuk melakukan simulasi pada skala zarah subatomik.

Berdasarkan kepada teknologi terkini, jawapan bagi soalan Feynman ialah “boleh, tetapi teramat terhad”. Antara faktor mengapa simulasi berskala zarah subatomik sukar untuk dilakukan ialah kerana pengkomputeran klasik tidak mampu untuk menangani sifat zarah subatomik yang berkelakuan dengan sifat kuantum mekanik (quantum mechanical behavior). Dalam erti kata lain, pengkomputeran klasik dengan perwakilan 0 dan 1 tidak mampu untuk mewakili superposisi kuantum. Teori fizik menyifatkan hanya pengkomputeran kuantum sahaja mempunyai keupayaan intrinsik (intrinsic capability) kerana ia berkelakuan dengan sifat kuantum mekanik, sekaligus berpotensi besar untuk melakukan simulasi berskala zarah subatomik.

Jika penjelasan di atas samar-samar dan sukar untuk difahami, kita cuba sekali lagi dengan menggunakan enzim (enzyme) nitrogenase sebagai contoh. Enzim ini bertanggungjawab menukarkan nitrogen kepada ammonia. Jika anda tertanya-tanya kenapa anda perlu ambil kisah berkenaan enzim ini, jawapannya ialah jika enzim ini tidak wujud, anda juga mungkin tidak wujud. Perbincangan lanjut mungkin boleh kita lakukan pada masa yang akan datang.

Dr. Talia Gershon, seorang penyelidik IBM, dalam syarahannya yang bertajuk “A Beginner’s Guide To Quantum Computing”, menggunakan enzim nitrogenase sebagai contoh untuk menggambarkan had pengkomputeran klasik apabila melakukan simulasi berskala kuantum. Pada enzim nitrogenase terdapat 3 gugusan besi sulfida (iron sulfide cluster, FeS) yang diperlukan untuk fungsinya. Kebiasaannya, para pengkaji melakukan analisa struktur dan fungsi (structure & function analysis) bagi mengenal pasti struktur molekul serta fungsi dengan menggunakan teknologi seperti X-ray crystallography atau cryogenic electron microscopy. Namun, kedua-dua proses ini mengambil masa bertahun-tahun untuk dilengkapkan dek kekangan masa dan teknologi serta kekangan akses kepada kelengkapan bernilai tinggi.

Disebabkan oleh kekangan tersebut, para pengkaji khususnya dalam bidang biologi pengiraan (computational biology) bermotivasi untuk menggunakan komputer sebagai jalan penyelesaian bagi menyelesaikan struktur dan fungsi enzim. Namun begitu, menurut Dr. Gershon, adikomputer (supercomputer) juga menghadapi kesukaran untuk melakukan simulasi struktur kerana pengkomputeran klasik, seperti yang telah saya nyatakan sebelum ini, tidak mampu untuk melakukan simulasi zarah subatomik yang berkelakuan dengan sifat kuantum mekanik. Menurutnya lagi, adikomputer pada ketika ini hanya mampu melakukan simulasi gugusan besi sulfida yang terkecil di antara 3 gugusan yang wujud pada enzim nitrogenase ini.

Adapun gambaran tadi menggunakan enzim sebagai contoh mengapa pengkomputeran kuantum diperlukan, teknologi kuantum ini boleh membantu pelbagai bidang sains yang lain seperti bidang kimia. Sebagai contoh, para penyelidik beranggapan bahawa suatu hari nanti pengkomputeran kuantum akan digunakan untuk menghasilkan bahan baharu bagi mencipta bateri berkapasiti tinggi dan tahan lebih lama. Selain itu juga, pengkomputeran kuantum mungkin dapat digunakan dalam bidang perubatan bagi menghasilkan ubat-ubatan yang lebih efektif untuk menangani penyakit yang sukar untuk dirawat.

Cip Pemprosesan Kuantum “Sycamore” oleh Google

Segmen ini merupakan tujuan utama kenapa artikel ini diterbitkan, iaitu untuk berkongsi berita kejayaan pasukan penyelidik Google AI Quantum atas inovasi terbaru mereka di persada pengkomputeran kuantum: cip pemprosesan kuantum yang boleh diprogramkan (programmable quantum processor), dikenali sebagai Sycamore (sebutan see-kuh-moor). Cip Sycamore ini berjaya membuktikan bahawa umat manusia kini semakin hampir menerobos ke masa hadapan dengan dentuman halilintar.

Adakah ini kali pertama cip kuantum dihasilkan? Tidak, ini bukan kali pertama ia dihasilkan. Jika kita mengambil kira sistem pengkomputeran kuantum yang pertama dibina berdasarkan teknologi nuclear magnetic resonance (NMR), kali pertama ia dihasilkan ialah pada tahun 1997. Namun, pada tahun 1999 dan 2001, para pengkaji menyatakan bahawa teknologi NMR tidak mencakupi kesemua prinsip asas yang diperlukan untuk melakukan pengkomputeran kuantum. Kira-kira sedekad kehadapan, syarikat D-Wave Systems yang berpangkalan di Kanada pada tahun 2011 mengumumkan bahawa mereka berjaya menghasilkan sistem pengkomputeran kuantum untuk kegunaan komersil. Sistem mereka dibeli oleh agensi berprofil tinggi seperti syarikat aeroangkasa dan pertahanan Lockheed Martin, Google, dan juga NASA.

Selain D-Wave Systems, IBM juga merupakan syarikat yang sedang giat membangunkan teknologi pengkomputeran kuantum. Pada tahun 2017, IBM memperkenalkan cip kuantum 17-qubit, dan mereka turut membangunkan teknologi baharu untuk melakukan penandaarasan (benchmarking) prestasi komputer kuantum. Pada tahun yang sama, Microsoft juga mengumumkan keterdapatan bahasa pengaturcaraan untuk diserasikan dengan algoritma kuantum (quantum algorithm). Bahasa pengaturcaraan ini dikenali sebagai Q# (sebutan Q-sharp), hadir bersama melalui kit pembangunan (development kit) kuantum mereka dan ditawarkan secara sumber terbuka.

Pada tahun 2018, Google mengumumkan kejayaan mereka menghasilkan cip kuantum 72-qubit yang dikenali dengan kod nama Bristlecone. Pada tahun yang sama, Intel mengumumkan bahawa mereka juga berjaya menghasilkan cip kuantum 49-qubit dengan kod nama Tangle Lake. Kemudian pada tahun 2019, selepas tersebarnya khabar angin bahawa Google mempunyai cip kuantum yang istimewa, tanggal 23 Oktober mereka menerbitkan rencana ilmiah pada laman jurnal Nature bahawa mereka telah berjaya membuktikan keagungan kuantum dengan cip kuantum 53-qubit yang dikenali dengan kod nama Sycamore.

Persoalannya sekarang, apakah yang menyebabkan Sycamore istimewa walaupun ia mempunyai bilangan qubit yang lebih rendah berbanding Bristlecone?

Pada peringkat awal, Google mempunyai dua pasukan penyelidik yang membangunkan teknologi cip kuantum secara berasingan. Salah satu daripada pasukan berkenaan membangunkan cip kuantum Bristlecone, manakala satu lagi membangunkan cip Sycamore. Untuk pengetahuan para pembaca, asalnya cip Sycamore mempunyai 54 bilangan qubit, akan tetapi satu qubit didapati gagal berfungsi. Namun begitu, dengan 53 qubit yang tinggal, ia langsung tidak menghalang Google untuk melengkapkan eskperimen mereka.

Bagi menjawab persoalan mengapa cip kuantum Sycamore dipilih sedangkan cip Bristlecone mempunyai bilangan qubit yang lebih tinggi, jawapannya ialah rekabentuk Sycamore lebih efisien dengan adanya penyambung laras (adjustable couplers) untuk membenarkan lebih kawalan ke atas cip kuantum Sycamore, lantas memastikan kestabilannya ketika beroperasi. Saya sedar penjelasan ini samar-samar untuk difahami, namun topik kestabilan Sycamore dan Bristlecone bukanlah skop utama perbincangan kita pada kali ini.

Bukti Konsep Keagungan Kuantum

Persoalan yang kini timbul ialah dengan adanya keterdapatan cip kuantum, adakah ia serta-merta menggantikan pengkomputeran klasik? Jawapannya ialah tidak. Walaupun teori mengatakan pengkomputeran kuantum mempunyai keupayaan berlipat kali ganda berbanding pengkomputeran klasik, terdapat 2 isu yang perlu ditangani: (1) adakah para pengkaji berhasil untuk mengawal cip kuantum dengan baik dan (2) sudahkah kita mempunyai algoritma yang tepat untuk diaplikasikan pada cip kuantum dan membuktikan bahawa sistem kuantum yang dibina boleh melakukan pengiraan berlipat kali ganda lebih laju berbanding sistem pengkomputeran klasik?

Isu pertama berkaitan dengan kawalan sudahpun kita bincang secara ringkas pada segmen yang sebelumnya. Mungkin pada masa akan datang, kita akan mengulas dengan lebih lanjut berkaitan teknologi-teknologi yang telah dibangunkan bagi memastikan sistem kuantum dapat dikawal dengan baik, serta konsep pembetulan kesilapan (error correction) dan jumlah kuantum (quantum volume). Segmen ini lebih memfokuskan kepada strategi yang digunakan oleh pasukan pengkaji Google AI Quantum dalam usaha untuk membuktikan bahawa mereka telah mencapai keagungan kuantum.

Perkara pertama yang harus diperjelaskan di sini ialah, apakah yang dimaksudkan dengan istilah “keagungan kuantum” (quantum supremacy)? Istilah ini merujuk kepada peristiwa penting (milestone) dalam usaha untuk membuktikan bahawa teknologi pengkomputeran kuantum kini berada pada tahap yang boleh mengatasi kemampuan pengkomputeran klasik. Dalam konteks eksperimen yang dijalankan oleh pihak Google, ia bermaksud pasukan pengkaji telah berjaya membuktikan cip Sycamore mengalahkan adikomputer terhebat. Adikomputer yang dimaksudkan di sini ialah sistem Summit milik IBM yang berpangkalan di Oak Ridge National Laboratory di Tennessee, Amerika Syarikat. Di sini kita boleh merumuskan bahawa Sycamore merupakan sistem pengkomputeran yang teragung, mengalahkan adikomputer terhebat di dunia.

Istilah keagungan kuantum bukanlah istilah yang baru dicanangkan oleh pihak Google. Oleh itu, kita perlu mengetahui konteks di sebalik istilah ini. Dalam sejarah awal pembangunan pengkomputeran kuantum, istilah “kelebihan kuantum” (quantum advantage) digunakan untuk menggambarkan situasi apabila adikomputer pengkomputeran klasik dan pengkomputeran kuantum melakukan pengiraan yang sama, adikomputer masih mampu menyelesaikan pengiraan namun mengambil masa yang sedikit lama berbanding sistem kuantum.

Istilah keagungan kuantum kali pertama dibahaskan oleh saintis John Preskill pada tahun 2012, merujuk kepada situasi apabila sistem kuantum mampu menyelesaikan masalah yang langsung tidak dapat ditandingi oleh sistem klasik (istilah: classically intractable). Sebagai gambaran mudah, kita bandingkan kebolehan kereta bagi melawan kapal angkasa untuk membawa manusia ke bulan. Ekspedisi dari permukaan bumi ke bulan mengambil masa selama 3 hari dengan menaiki kapal angkasa. Akan tetapi, kereta tidak akan dapat melakukan perkara sedemikian sekalipun kerajaan Malaysia (baharu) berkeras untuk menghasilkan kereta terbang walaupun terdapat isu-isu lain seperti penambahbaikan struktur kemudahan pengangkutan awam dan isu pengangguran belia yang lebih memerlukan perhatian serius.

Tatkala pasukan penyelidik Google mendakwa bahawa mereka telah berjaya mencapai keagungan kuantum, perkara pertama yang dipersoalkan ialah bagaimana mereka melakukan eksperimen berkenaan. Pertama sekali, kita perlu menganalisa apakah yang dimaksudkan apabila mereka berjaya membuktikan keagungan kuantum dengan cip Sycamore mereka. Dari sudut pendekatan eksperimen, pasukan penyelidik memberikan arahan kepada cip Sycamore dan adikomputer Summit untuk melakukan pengiraan seakan-akan penjanaan nombor secara rawak (random number generator). Kali ini saya tinggalkan dahulu butiran eksperimen kerana ia agak teknikal untuk diperhalusi. Apa yang penting di sini ialah proses penjanaan nombor secara rawak boleh menjadi proses yang amat intensif.

Berikutan daripada eksperimen ini, pihak penyelidik mendakwa bahawa pengiraan yang dilakukan pada cip Sycamore berjaya dilengkapkan dalam masa 200 saat, tetapi pengiraan yang sama mengambil masa kira-kira 10,000 tahun pada adikomputer Summit. Untuk makluman pembaca, pasukan penyelidik menggunakan 4,550 nod pengkomputeran (computing nodes) daripada 4,608 nod yang terdapat pada Summit, mewakili 99% daripada seluruh kuasa pemprosesannya ketika melakukan eksperimen ini. Jika anda khuatir terhadap penggunaan tenaga sistem kuantum ketika eksperimen ini dijalankan, pasukan penyelidik juga memaklumkan bahawa penggunaan tenaga sistem kuantum mereka kira-kira 10,000,000 kali ganda (7 magnitud) lebih rendah berbanding keperluan tenaga pada sistem Summit bagi melaksanakan pengiraan yang sama.

Adakah hasil eksperimen diterima oleh semua pihak setelah pihak Google melakukan pengumuman rasmi mengenainya? Sudah tentu ada pihak yang menyuarakan kritikan, dan pihak yang berkenaan tidak lain tidak bukan pesaing industri mereka iaitu IBM, lebih-lebih lagi apabila sistem adikomputer Summit itu merupakan sistem yang dibina oleh pihak IBM sendiri. Untuk makluman pembaca, sebelum rencana ilmiah diterbitkan secara rasmi pada 23 Oktober, draf awal rencana ilmiah berkenaan telah tertiris di Internet beberapa minggu sebelumnya. Dengan merujuk kepada draf awal berkenaan, pihak IBM mengkritik bahawa pasukan penyelidik dari Google tidak mengoptimumkan pengiraan pada sistem Summit, dan mereka mencadangkan bahawa Summit boleh melengkapkan pengiraan yang sama bukan dalam masa 10,000 tahun tetapi 2.5 hari sahaja. Pihak Google membidas dengan menyatakan bahawa cadangan yang tidak disokong oleh bukti eksperimen tidak membatalkan (invalidate) dakwaan keagungan kuantum yang telah mereka kecapi.

Walaupun mereka berjaya membuktikan keagungan kuantum dengan eksperimen ini, namun pasukan penyelidik menyatakan bahawa peristiwa penting ini hanyalah titik permulaan era pengkomputeran kuantum. CEO Google, Sundar Pichai, dalam karangannya pada laman The Keyword menyatakan bahawa peristiwa ini merupakan saat yang serupa apabila seorang pengaturcara menulis beberapa baris kod untuk memaparkan ayat suci dunia pengaturcaraan iaitu “Hello World”.

For those of us working in science and technology, it’s the “hello world” moment we’ve been waiting for—the most meaningful milestone to date in the quest to make quantum computing a reality (Sundar Pichai, 23 Oktober 2019)

Harapan and Kebimbangan

Berbekalkan cip kuantum Sycamore 53-qubit, pasukan Google dapat mencapai keagungan kuantum mengatasi adikomputer Summit dalam satu eksperimen. Tidak syak lagi ini merupakan titik baharu yang sangat mengujakan. Namun begitu, teknologi ini masih di peringkat awal, sama seperti bayi yang baru belajar untuk berdiri. Pengkaji-pengkaji dalam bidang pengkomputeran kuantum percaya bahawa apabila cip pemprosesan kuantum mempunyai bilangan qubit mencecah 1,000 unit, maka pengkomputeran kuantum ini dinisbahkan seperti matahari yang terbit setelah cahaya fajarnya menyimbah bumi yang dingin. Pasukan pengkaji Google AI Quantum optimis bahawa bidang ini bakal berjaya mencapai sasaran 1,000 qubit dalam masa satu dekad dari sekarang.

Pada asalnya, saya ingin mengadakan perbincangan berkenaan kunci kriptografi awam–swasta (public–private cryptography key) dan bagaimana sistem pengkomputeran kuantum memberi ancaman kepada struktur tulang belakang keselamatan Internet ini. Akan tetapi setelah difikirkan beberapa kali, topik ancaman pengkomputeran kuantum terhadap sistem kriptografi akan kami bincangkan pada masa akan datang jika berkesempatan. Topik ini khususnya akan membincangkan algoritma Shor (Shor’s algorithm), bilangan qubit yang diperlukan untuk melarikan algoritma Shor, dan juga persediaan untuk menghadapi dunia pascakuantum (post-quantum world).

Prospek Masa Hadapan

Saya berharap para pembaca dapat memahami asas bagaimana pengkomputeran klasik dan kuantum berfungsi, dan juga bagaimana pengkomputeran kuantum mampu mencapai prestasi pengiraan yang tinggi. Ketika rencana ini sedang ditulis, saya dilanda kegusaran kerana konsep-konsep asas sangat mencabar untuk dijelaskan dalam lenggok bahasa yang mudah untuk disampaikan. Untuk makluman pembaca, terdapat beberapa konsep yang penting tetapi memerlukan kepada pemahaman fizik dan matematik yang tinggi, maka konsep-konsep tersebut terpaksa ditinggalkan.

Akhir kata, pengumuman oleh pasukan penyelidik kuantum ini hadir dengan bukti bahawa teknologi pengkomputeran ini berada di persimpangan era baharu. Kelajuan pemprosesan ini bak dentuman halilintar, menerobos masa hadapan yang bakal membawa pelbagai kejutan dan harapan.

Epilog

Saya mengaku bahawa rencana kali ini terlalu sarat dengan informasi yang harus dicerna dengan sabar dan berhati-hati. Saya juga berpendapat bahawa penulisan dan pemahaman kandungan rencana ini hanya dapat dihayati apabila pembaca mempunyai perasaan ingin tahu yang membuak-buak. Justeru, saya menggunakan peluang pada ruang segmen epilog ini untuk mengutarakan isi hati yang terbuku telah sekian lamanya.

Bidang sains dan teknologi merupakan bidang yang luas. Pemahaman terhadap bagaimana kita boleh menongkah arus teknologi bagi membina masa hadapan bergantung pada sejauh mana kita sebagai masyarakat mahu mengambil iktibar daripada penemuan masa lalu. Bukan sekadar kita perlu memberi penghormatan kepada pengetahuan saintifik, bahkan kita juga perlu menghargai insan-insan yang telah menyingkap jendela pengetahuan, kini menjadi gerbang kepada kemajuan teknologi. Dalam erti kata yang lain, sejauh manakah kita mengetahui dan menghargai penemuan yang dilakukan oleh Ada Lovelace iaitu insan yang dinobatkan sebagai pengaturcara pertama dalam sejarah peradaban manusia? Sejauh manakah kita sedar bahawa Alkhawarizmi merupakan ilmuwan agung yang memperkenalkan konsep algebra? Sejauh manakah kita mengetahui bahawa Leibniz dan Newton merupakan dua ilmuwan yang memacu bidang matematik ke hadapan? Sejauh manakah kita sedar tanpa Ishigami Senku, teknologi peradaban kita tidak akan dapat memecahkan kepompong dunia zaman batu yang primitif? Kenalkah kita akan seorang ilmuwan yang bernama Thomas Hunt Morgan dan sumbangan beliau dalam bidang genetik?

Disiplin ilmu penuh dengan duri dan ranjau, namun di penghujung terowong terdapat sinar yang menyinari seluruh umat manusia. Dengan ini saya menyeru kepada semua agar lebih mengambil berat bidang ilmu matematik, sains, dan teknologi. Perit dan jerih yang kita lalui ketika menelaah pelajaran matematik tambahan dan lain-lain subjek sains yang mencabar bukanlah untuk disia-siakan, tetapi merupakan batu loncatan untuk melonjakkan kebolehupayaan kita bagi menerobos masa hadapan, dan tidak mustahil kita boleh menorobosinya dengan hembusan halilintar.

[info]Rencana nukilan Aizan Fahri untuk Amanz, dibantu oleh Tarmizi Halim dan Arib Ismail. Rujuk nota penulis bagi mendapatkan maklumat tambahan mengenai topik ini.[/info]