The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.
Isi silinder logam ini mungkin dapat merevolusi teknologi atau mungkin tak berguna— itu semua tergantung apakah kita dapat memanfaatkan sifat fisika suatu zat pada skala yang sangat, sangat kecil. Untuk memiliki kesempatan melakukannya, kita harus mengendalikan lingkungan dengan tepat: permukaan dan kaki meja dibuat tebal, melindunginya dari getaran langkah kaki, serta lift dan pintu yang berada di dekatnya. Silinder tersebut adalah ruang vakum, tanpa gas di udara. Di dalam ruang vakum tersebut ada kompartemen kecil yang sangat dingin, yang hanya dapat dijangkau sinar laser. Di dalamnya ada partikel ultra-sensitif yang membentuk komputer kuantum.
So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
Jadi, apa yang membuat partikel ini sepadan dengan usaha keras? Secara teori, komputer kuantum dapat melampaui batas komputasi komputer klasik. Komputer klasik memproses data dalam bentuk bit. Setiap bit dapat beralih antara 2 status, ditandai oleh nol dan satu. Komputer kuantum menggunakan sistem yang disebut <i>qubit</i>, yang dapat beralih antara nol, satu, dan superposisi. Ketika <i>qubit </i>berada di superposisi, ia memiliki lebih banyak informasi daripada satu atau nol. Anda dapat menganggap posisi ini sebagai titik pada sebuah bola: kutub utara dan selatan bola mewakili satu dan nol. Bit hanya bisa beralih antara kedua kutub ini, tetapi ketika <i>qubit </i>berada dalam keadaan superposisi, ia bisa berada di titik mana pun pada bola. Kita tak dapat menemukannya dengan tepat— saat kita membacanya, <i>qubit </i>berubah menjadi nol atau satu. Namun, meskipun kita tidak dapat mengamati <i>qubit </i>dalam keadaan superposisi, kita dapat memanipulasinya untuk melakukan pekerjaan tertentu saat dalam kondisi demikian.
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
Semakin rumit permasalahan, komputer klasik membutuhkan lebih banyak bit untuk menyelesaikannya, sementara komputer kuantum secara teoretis dapat menangani masalah yang lebih rumit tanpa memerlukan banyak <i>qubit</i> seperti halnya komputer klasik.
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
Sifat unik komputer kuantum adalah: hasil dari perilaku partikel atom dan subatom. Partikel ini memiliki keadaan kuantum, yang sesuai dengan keadaan <i>qubit</i>. Keadaan kuantum sangat rapuh, mudah dihancurkan oleh perubahan suhu dan tekanan, medan elektromagnetik, dan tabrakan dengan partikel di dekatnya. Itulah sebabnya komputer kuantum membutuhkan pengaturan yang rumit. Itu juga sebabnya, untuk saat ini, kekuatan komputer kuantum sebagian besar masih bersifat teoritis. Sejauh ini, kita hanya dapat mengontrol beberapa <i>qubit </i>secara bersamaan.
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
Ada dua komponen utama yang terlibat untuk mengatur keadaan kuantum ini secara efektif: jenis partikel yang digunakan oleh komputer kuantum, dan bagaimana ia memanipulasi partikel tersebut. Untuk saat ini, ada dua pendekatan utama: perangkap ion dan <i>qubit</i> superkonduktor.
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
Komputer kuantum perangkap ion menggunakan ion sebagai partikelnya dan memanipulasinya dengan laser. Ion-ion ditempatkan di dalam perangkap yang terbuat dari medan listrik. Input dari laser memberitahu ion tentang apa yang harus dilakukan dengan membuat kondisi <i>qubit</i> berputar di bola. Contoh sederhananya, laser memasukkan pertanyaan: berapa faktor prima dari 15? Sebagai tanggapan, ion melepaskan foton— kondisi <i>qubit </i>menentukan apakah ion memancarkan foton dan berapa foton yang dipancarkannya. Sistem pencitraan mengumpulkan foton, memprosesnya, dan menjawabnya: 3 dan 5.
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
Komputer kuantum <i>qubit</i> superkonduktor melakukan hal sama dengan cara berbeda: menggunakan cip dengan sirkuit listrik, bukan dengan perangkap ion. Keadaan masing-masing rangkaian listrik diterjemahkan menjadi keadaan qubit. Mereka dapat dimanipulasi dengan input listrik dalam bentuk gelombang mikro. Jadi, qubit dapat berasal dari ion atau sirkuit listrik, yang bekerja karena pengaruh laser atau gelombang mikro. Setiap pendekatan memiliki kelebihan dan kekurangan. Ion dapat dimanipulasi dengan sangat tepat, dan mereka bertahan lama, tapi semakin banyak ion yang ditambah, semakin sulit mengontrol setiap ion dengan presisi. Kita belum dapat menyimpan cukup ion untuk membuat perhitungan lanjutan, tapi mungkin solusinya adalah menyambung banyak perangkap kecil yang berkomunikasi satu sama lain melalui foton daripada mencoba membuat satu perangkap besar. Sirkuit superkonduktor, beroperasi lebih cepat daripada perangkap ion, dan lebih mudah untuk menambah jumlah sirkuitnya pada komputer daripada jumlah ion. Namun, sirkuit juga lebih rapuh, dan memiliki umur yang lebih pendek.
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.
Dan saat komputer kuantum berkembang, mereka masih akan menghadapi kendala lingkungan yang dibutuhkan untuk menjaga keadaan kuantum. Namun, terlepas dari semua hambatan ini, kita sudah berhasil membuat perhitungan di dunia yang tidak dapat kita masuki atau bahkan amati.