Komputer kuantum Teknologi Komputer Masa Depan Komputer Nanoteknologi

teknologi canggih 2020, 2025

teknologi nano 

1. Komputer Kuantum

awal komputer kuantum dicetuskan oleh beberapa fisikawan mengenai sistem kuantum yang dapat melakukan proses penghitungan dan  percobaan fisika kuantum. Para ilmuwan mulai melakukan riset mengenai sistem kuantum dan logika yang sesuai dengan sistem tersebut untuk mengembangkan Komputer Kuantum.
Komputer Kuantum adalah alat hitung yang menggunakan sebuah fenomena mekanika kuantum untuk melakukan operasi data. Dibandingkan komputer biasa, komputer kuantum dipercaya dapat menyelesaikan masalah lebih cepat. Tidak hanya bekerja lebih cepat, komputer kuantum juga dapat memecahkan hampir semua program pembuat kode pelindung yang digunakan di dunia perbankan, medis, bisnis dan pemerintah di seluruh dunia. Komputer ini bahkan mampu melakukan jutaan kalkulasi pada saat yang bersamaan dan memprediksi perkiraan cuaca di bumi beserta gejala-gejala alam lain dengan sangat akurat.

perbedaan perbandingan komputer kuantum dari komputer konvensional (digital)? Kita  mulai dengan mengamati secuil satuan informasi yang disebut satu bit, yaitu satu sistem fisis yang dapat dinyatakan dalam satu di antara dua keadaan (dua nilai logik) yang berbeda: ya atau tidak, benar atau salah, 0 atau 1. Satu bit informasi dapat diberikan oleh dua keadaan polarisasi cahaya atau dua keadaan elektronik suatu atom. Namun, jika satu atom dipilih untuk merepresentasikan satu bit informasi maka menurut mekanika kuantum di samping kedua keadaan elektronik yang berbeda, atom tersebut dapat pula berada dalam keadaan superposisi (paduan) dua keadaan tersebut. Atom tersebut dapat berada pada keadaan 0 dan 1 secara serentak. Secara umum, satu sistem kuantum dengan dua keadaan atau quantum bit (qubit) dapat dibuat berada dalam suatu keadaan superposisi dari kedua keadaan logiknya.

 Salah seorang pendiri Intel  yang pada era 1960 an Yaitu Gordon Moore menjelaskan tentang jumlah transistor yang bisa dibuat dalam satu mikroprosesor menjadi dua kali lipat pada tiap 18 bulan. Ini dikenal sebagai hukum Moore. Hukum Moore menjadi dasar bahwa kemampuan komputer harus selalu ditingkatkan dengan cara memasukkan transistor dalam jumlah yang lebih banyak ke dalam chip.  Intel mengeluarkan biaya yang begitu besar dalam riset dalam rangka memastikan bahwa hukum Moore tersebut tetap berlaku.

       Namun sejalan dengan menyusutnya ukuran transistor serta chip , maka panas yang dihasilkan pada chip komputer pun semakin mengalami peningkatan sehingga terdapat biaya yang begitu besar untuk menghilangkan panas tersebut karena panas sangat berpotensi mengakibatkan kerusakan. Besarnya biaya tentu saja akan menghambat perkembangan industri komputer di masa depan.

            Selain itu hal yang juga tak kalah penting adalah ukuran chip sebesar skala nanometer (satu per triliun meter). Maka adanya efek kuantum menjadi sangat penting karena tentunya akan sangat sulit untuk menciptakan chip yang bisa bekerja secara benar. Maka di sinilah lahir pikiran untuk menciptakan komputer kuantum. Dalam rangka memastikan bahwa hukum Moore tersebut tetap berlaku, dibuat konsep awal mengenai komputer yang beroperasi menurut teori kuantum pertama kali dicetuskan oleh ahli fisika Amerika yakni Richard Feynman pada era tahun 1980 an. Ia menyadari bahwa komputer klasik sudah tidak lagi efisien jika dipergunakan untuk melakukan simulasi dinamika sistem kuantum.




 1970-an pencetusan atau ide tentang komputer kuantum pertama kali muncul oleh para fisikawan dan ilmuwan komputer, beberapanya Charles H. Bennett dari IBM, Paul A. Benioff dari Argonne National Laboratory, Illinois, David Deutsch dari University of Oxford, dan Richard P. Feynman dari California Institute of Technology (Caltech).
Feynman dari California Institute of Technology  menunjukkan model bahwa sebuah sistem kuantum dapat digunakan untuk melakukan komputasi. Feynman juga menunjukkan bagaimana sistem tersebut dapat menjadi simulator bagi fisika kuantum.

1985, Deutsch menyadari esensi dari komputasi oleh sebuah komputer kuantum dan menunjukkan bahwa semua proses fisika, secara prinsipil, dapat dimodelkan melalui komputer kuantum. Dengan demikian, komputer kuantum memiliki kemampuan yang melebihi komputer klasik.

 1995, Peter Shor merumuskan sebuah algoritma yang memungkinkan penggunaan komputer kuantum untuk memecahkan masalah faktorisasi dalam teori bilangan.
Sampai saat ini, riset dan eksperimen pada bidang komputer kuantum masih terus dilakukan di seluruh dunia. Berbagai metode dikembangkan untuk  terwujudnya sebuah komputer berkemampuan  luar biasa ini. Sejauh ini, sebuah komputer kuantum yang telah dibangun hanya dapat mencapai kemampuan untuk memfaktorkan dua digit bilangan. Komputer kuantum ini dibangun pada tahun 1998 di Los Alamos, Amerika Serikat, menggunakan NMR (Nuclear Magnetic Resonance).
            Sebuah komputer kuantum mendapatkan kemampuannya dengan memanfaatkan sifat-sifat kuantum tertentu dari atom ataupun nukleus yang memungkinkan mereka bekerja bersama sebagai suatu bit kuantum, atau “qubit”, yang berfungsi sebagai prosesor sekaligus sebagai memori pada waktu yang sama. Dengan mengarahkan interaksi-interaksi di antara qubit-qubit, sementara mereka terus diisolasikan dari lingkungan eksternal. Para ilmuwan berhasil membuat sebuah komputer kuantum menjalankan kalkulasi-kalkulasi tertentu, seperti pemfaktoran, dengan kecepatan yang secara eksponensial lebih tinggi dibandingkan komputer konvensional.





       Komputer kuantum adalah alat hitung yang menggunakan sebuah fenomena mekanika kuantum, misalnya superposisi dan keterkaitan, untuk melakukan operasi data. Dalam komputasi klasik, jumlah data dihitung dengan bit. Dalam komputer kuantum, hal ini dilakukan dengan qubit. Prinsip dasar komputer kuantum adalah bahwa sifat kuantum dari partikel dapat digunakan untuk mewakili data dan struktur data, dan bahwa mekanika kuantum dapat digunakan untuk melakukan operasi dengan data ini. Dalam hal ini untuk mengembangkan komputer dengan sistem kuantum diperlukan suatu logika baru yang sesuai dengan prinsip kuantum.

    Komputer modern yang ada saat ini, seperti mesin Turing, bekerja dengan memanipulasi bit yang ada di salah satu dari dua keadaan ini: 0 atau 1. Komputer kuantum tidak terbatas pada dua keadaan. Komputer kuantum mengkodekan informasi sebagai quantum bits, atau qubit, yang biasa ditemukan dalam superposisi. Qubit mewakili atom, ion, foton atau elektron dan perangkat kontrol yang bekerja bersama sebagai memori komputer dan prosesor. Karena komputer kuantum dapat menampung banyak keadaan dan perhitungan  secara bersamaan, komputer kuantum  berpotensi jutaan kali lebih kuat daripada superkomputer paling kuat .

CONTOH CARA KERJA KOMPUTER KUANTUM
          Sampai saat ini, dua kegunaan yang paling menjajikan untuk perangkat komputer kuantum itu adalah untuk melakukan pencarian kuantum dan anjak kuantum. Untuk memahami bagaimana pencarian kuantum bekerja, bayangkan jika Anda mencari nama dan nomor telepon tertentu pada Yellow Pages atau buku telepon dengan cara konvensional. Jika buku telepon tersebut memiliki 10.000 entri, rata-rata Anda perlu melihat sekitar setengah dari jumlah itu, yakni 5.000 entri, sebelum Anda berpotensi menemukan nama dan nomor yang dicari. Algoritma pencarian kuantum hanya perlu menebak 100 kali. Dengan 5.000 tebakan, sebuah komputer kuantum mampu menemukan 25 juta nama pada buku telepon tersebut.

ALGORITMA PADA KOMPUTER KUANTUM
Para ilmuwan mulai melakukan riset mengenai sistem kuantum tersebut, mereka juga berusaha untuk menemukan logika yang sesuai dengan sistem tersebut. Sampai saat ini telah dikemukaan dua algoritma baru yang bisa digunakan dalam sistem kuantum yaitu algoritma shor dan algoritma grover.

Algoritma Shor

Algoritma yang ditemukan oleh Peter Shor pada tahun 1995. Dengan menggunakan algoritma ini, sebuah komputer kuantum dapat memecahkan sebuah kode rahasia yang  umum digunakan untuk mengamankan pengiriman data. Kode yang disebut kode RSA ini, jika disandikan melalui kode RSA, data yang dikirimkan akan aman karena kode RSA tidak dapat dipecahkan dalam waktu yang singkat. Selain itu, pemecahan kode RSA membutuhkan kerja ribuan komputer secara paralel sehingga kerja pemecahan ini tidaklah efektif.

Algoritma Grover

Algoritma Grover adalah sebuah algoritma kuantum yang menawarkan percepatan kuadrat dibandingkan pencarian linear klasik untuk list tak terurut. Algoritma Grover menggambarkan bahwa dengan menggunakan pencarian model kuantum, pencarian dapat dilakukan lebih cepat dari model komputasi klasik. Dari banyaknya algoritma kuantum, algoritma grover akan memberikan jawaban yang benar dengan probabilitas yang tinggi. Kemungkinan kegagalan dapat dikurangi dengan mengulangi algoritma. Algoritma Grover juga dapat digunakan untuk memperkirakan rata-rata dan mencari median dari serangkaian angka, dan untuk memecahkan masalah Collision.


Perhatikan perbandingan berikut. Register konvensional tiga bit dalam satu saat hanya dapat menyimpan satu dari 8 kemungkinan keadaan yang berbeda seperti: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, dan 111. Sebaliknya, suatu register kuantum tiga qubit dalam satu saat dapat menyimpan 8 kemungkinan keadaan yang berbeda tersebut secara serentak sebagai suatu superposisi kuantum. Jika jumlah qubit terus ditambahkan pada register maka kapasitas penyimpanan keadaan (informasi) dalam register akan meningkat secara eksponensial, yaitu secara serentak 3 qubit dapat menyimpan 8 keadaan berbeda, 4 qubit dapat menyimpan 16 keadaan berbeda, dan seterusnya sehingga secara umum N qubit dapat menyimpan sejumlah 2N keadaan berbeda.

Sekali suatu register disiapkan dalam suatu superposisi dari keadaan-keadaan yang berbeda, operasi-operasi pada semua keadaan itu dapat dilakukan secara bersamaan. Sebagai contoh, jika qubit-qubit tersimpan dalam atom-atom, pulsa laser yang diatur secara tepat dapat mempengaruhi keadaan-keadaan elektronik atom dan mengubah superposisi awal menjadi superposisi lain yang berbeda. Selama perubahan tersebut setiap keadaan dalam superposisi awal terpengaruh sehingga dapat dihasilkan suatu komputasi masif secara paralel dalam satu keping hardware kuantum.

Suatu komputer kuantum dalam satu langkah komputasi dapat melakukan operasi matematis pada 2N input berlainan yang tersimpan dalam superposisi koheren N qubit. Untuk melakukan hal yang sama, suatu komputer konvensional harus mengulang operasi sejumlah 2N kali atau harus digunakan 2N prosesor konvensional yang bekerja bersamaan. Komputer kuantum menawarkan peningkatan yang sangat luar biasa dalam penggunaan dua sumber daya komputasi utama, yaitu waktu dan memori.

Tahap awal menuju gerbang logika kuantum dan jaringan kuantum sederhana adalah usaha mengontrol fenomena kuantum dalam suatu eksperimen. George Johnson dari New York Times melaporkan bahwa di Los Alamos, USA, Dr Raymond Laflamme dan Dr Emanuel Knill sedang melakukan eksperimen yang mengaplikasikan komputasi kuantum dengan menggunakan NMR (nuclear magnetic resonance) yang sebelumnya sering digunakan untuk memetakan struktur molekul berdasarkan respons atom-atom penyusunnya terhadap gelombang elektromagnetik. Teknologi serupa ini, magnetic resonance imaging (MRI) sudah cukup lama dan cukup banyak digunakan di rumah sakit, yaitu untuk melakukan scanning pada jaringan tubuh manusia.

Dalam eksperimen yang telah dilakukan, lima qubit disimpan dalam spin-spin inti lima atom yang menyusun suatu molekul yang disebut asam kroton (crotonic acid) yang disintesis secara khusus oleh ahli kimia Los Alamos, Dr Rudy Martinez. Spin merupakan besaran intrinsik dalam fisika kuantum, secara analog digambarkan sebagai efek yang timbul dari gerak putar seperti gasing yang dapat berinteraksi dengan medan magnet. Jika gerak putar searah jarum jam dinyatakan sebagai keadaan spin down atau 0, maka gerak putar dalam arah berlawanan jarum jam dinyatakan sebagai keadaan spin up atau 1.

Mula-mula suatu sampel asam kroton yang berisi sekitar 1021 (satu milyar trilyun) molekul diletakkan di dalam inti spektrometer NMR. Sejumlah nitrogen dan helium cair digunakan untuk mendinginkan kumparan superkonduktor NMR untuk menghasilkan medan magnet yang sangat kuat.

Pada awal eksperimen, spin inti-inti atom dalam molekul asam kroton berorientasi ke segala arah secara acak. Melalui keyboard komputer yang terhubung ke NMR, peneliti meratakan arah spin dengan medan elektromagnetik, hanya saja hasilnya tidak sepenuhnya rapi.

Medan magnet yang kuat dalam NMR hanya dapat menyebabkan sebagian kecil, sekitar 1013 (sepuluh trilyun) molekul, mempunyai orientasi spin inti yang dapat dinyatakan sebagai 11111. Molekul-molekul homogin inilah yang digunakan dalam komputasi kuantum. Hal ini dapat dilakukan sebab setiap spin dari kelima inti dalam molekul tersebut beresonansi pada frekuensi yang berbeda.



 1. Nanoteknologi


  Teknologi canggih berikutnya yang sedang dikembangkan saat ini adalah Nanoteknologi yang merupakan sebuah teknologi berukuran 1/semilyar meter yang memungkinkan manusia untuk memanipulasi partikel-partikel super kecil berukuran nyaris sekecil atom. Dengan Nanoteknologi ini, manusia dapat menciptakan material-material baru berbentuk partikel yang bisa dimanfaatkan untuk segala hal.
Bahkan dengan Nanoteknologi, manusia bisa menciptakan komputer super kecil dengan media penyimpanan mencapai jutaan GB. Hal ini tentu saja akan sangat memudahkan manusia di mana kita bisa menyimpan sebanyak apa pun data-data penting dalam benda seukuran dua jari.