Rencana Kontroversial: Memudahkan Pemrograman Komputer Kuantum!

Ketika profesor MIT dan kini anggota Laboratorium Ilmu Komputer dan Kecerdasan Buatan (CSAIL) Peter Shor pertama kali mendemonstrasikan potensi komputer kuantum untuk menyelesaikan masalah lebih cepat dibandingkan komputer klasik, dia menginspirasi para ilmuwan untuk membayangkan berbagai kemungkinan bagi teknologi yang sedang berkembang ini. Tiga puluh tahun kemudian, meskipun begitu, keunggulan kuantum masih merupakan puncak yang belum tercapai.

Sayangnya, teknologi komputasi kuantum belum sepenuhnya beroperasi. Salah satu tantangan besar terletak pada menerjemahkan algoritma kuantum dari konsep matematis abstrak menjadi kode konkret yang dapat dijalankan di komputer kuantum. Sementara pemrogram untuk komputer biasa memiliki akses ke banyak bahasa seperti Python dan C++ dengan konstruksi yang sesuai dengan abstraksi komputasi klasik, pemrogram kuantum tidak memiliki kemewahan tersebut; hanya ada sedikit bahasa pemrograman kuantum saat ini, dan mereka relatif sulit digunakan karena abstraksi komputasi kuantum masih dalam perkembangan. Dalam penelitian terbaru mereka, para peneliti MIT menyoroti bahwa disparitas ini ada karena komputer kuantum tidak mengikuti aturan yang sama untuk menyelesaikan setiap langkah program secara berurutan—sebuah proses penting untuk semua komputer yang disebut aliran kontrol—dan mempersembahkan model abstrak baru untuk komputer kuantum yang mungkin lebih mudah diprogram. Dalam sebuah makalah yang segera dipresentasikan di Konferensi ACM tentang Pemrograman Berorientasi Objek, Sistem, Bahasa, dan Aplikasi, kelompok ini menguraikan model konseptual baru untuk komputer kuantum, yang disebut mesin kontrol kuantum. Model ini dapat membawa kita lebih dekat untuk membuat program semudah yang ditulis untuk komputer klasik. Pencapaian semacam itu akan membantu mempercepat tugas-tugas yang tidak dapat diselesaikan secara efisien oleh komputer biasa, seperti memfaktorkan angka besar, mengambil informasi dalam basis data, dan mensimulasikan bagaimana molekul berinteraksi untuk penemuan obat.

“Pekerjaan kami menyajikan prinsip-prinsip yang mengatur bagaimana Anda dapat dan tidak dapat memprogram komputer kuantum dengan benar,” kata penulis utama dan mahasiswa PhD CSAIL, Charles Yuan SM ’22. “Salah satu hukum ini menyiratkan bahwa jika Anda mencoba memprogram komputer kuantum dengan menggunakan instruksi dasar yang sama seperti komputer klasik biasa, Anda akan mengubah komputer kuantum itu menjadi komputer klasik dan kehilangan keunggulan kinerjanya. Hukum-hukum ini menjelaskan mengapa bahasa pemrograman kuantum sulit dirancang dan menunjukkan kepada kita cara untuk membuatnya lebih baik.”

Satu alasan mengapa komputer klasik relatif lebih mudah diprogram saat ini adalah karena aliran kontrol mereka cukup sederhana.

Bahan dasar komputer klasik adalah digit biner atau bit, kumpulan nol dan satu. Bahan-bahan ini merakit menjadi instruksi dan komponen arsitektur komputer. Salah satu komponen penting adalah penghitung program, yang menentukan instruksi berikutnya dalam program, seperti seorang koki yang mengikuti resep, dengan mengingat petunjuk berikut dari memori. Saat algoritma menavigasi secara berurutan melalui program, instruksi aliran kontrol yang disebut lompatan kondisional memperbarui penghitung program untuk membuat komputer maju ke instruksi berikutnya atau menyimpang dari langkah saat ini. Sebaliknya, bahan dasar komputer kuantum adalah qubit, yang merupakan versi kuantum dari bit. Data kuantum ini ada dalam keadaan nol dan satu secara bersamaan, yang dikenal sebagai superposisi. Membangun ide ini, algoritma kuantum dapat memilih untuk menjalankan superposisi dari dua instruksi pada saat yang sama—konsep yang disebut aliran kontrol kuantum. Masalahnya adalah desain komputer kuantum yang ada saat ini tidak menyertakan ekivalen dari penghitung program atau lompatan kondisional. Dalam praktiknya, ini berarti pemrogram biasanya menerapkan aliran kontrol dengan secara manual mengatur gerbang logika yang menggambarkan perangkat keras komputer, yang merupakan prosedur yang membosankan dan rentan terhadap kesalahan. Untuk menyediakan fitur-fitur ini dan menutup kesenjangan dengan komputer klasik, Yuan dan rekan-rekannya menciptakan mesin kontrol kuantum—seperangkat instruksi untuk komputer kuantum yang bekerja seperti ide klasik dari mesin virtual. Dalam makalah mereka, para peneliti membayangkan bagaimana pemrogram dapat menggunakan seperangkat instruksi ini untuk menerapkan algoritma kuantum untuk masalah seperti memfaktorkan angka dan mensimulasikan interaksi kimia. Sebagai inti teknis dari pekerjaan ini, para peneliti membuktikan bahwa komputer kuantum tidak dapat mendukung instruksi lompatan kondisional yang sama seperti komputer klasik, dan menunjukkan bagaimana memodifikasinya agar berfungsi dengan benar pada komputer kuantum. Secara khusus, mesin kontrol kuantum memiliki instruksi yang semuanya dapat dibalik—mereka dapat berjalan maju dan mundur dalam waktu. Algoritma kuantum memerlukan semua instruksi, termasuk untuk aliran kontrol, agar dapat dibalik sehingga dapat memproses informasi kuantum tanpa secara tidak sengaja menghancurkan superposisinya dan menghasilkan jawaban yang salah.

Menurut Yuan, Anda tidak perlu menjadi fisikawan atau matematikawan untuk memahami bagaimana teknologi futuristik ini bekerja.

Komputer kuantum tidak harus menjadi mesin yang misterius, katanya, yang memerlukan persamaan menakutkan untuk dipahami. Dengan mesin kontrol kuantum, tim CSAIL bertujuan untuk menurunkan hambatan bagi orang-orang untuk berinteraksi dengan komputer kuantum dengan mengangkat konsep aliran kontrol kuantum yang tidak familiar ke tingkat yang mencerminkan konsep aliran kontrol yang dikenal dalam komputer klasik. Dengan menyoroti hal-hal yang perlu dilakukan dan tidak dilakukan dalam membangun dan memprogram komputer kuantum, mereka berharap dapat mendidik orang-orang di luar bidang ini tentang kekuatan teknologi kuantum dan batas-batas akhirnya. Namun, para peneliti memperingatkan bahwa seperti halnya banyak desain lainnya, belum mungkin untuk langsung mengubah pekerjaan mereka menjadi komputer kuantum perangkat keras praktis karena keterbatasan teknologi qubit saat ini. Tujuan mereka adalah mengembangkan cara untuk menerapkan lebih banyak jenis algoritma kuantum sebagai program yang memanfaatkan dengan efisien jumlah qubit dan gerbang logika yang terbatas. Melakukannya akan membawa kita lebih dekat untuk menjalankan algoritma ini di komputer kuantum yang mungkin segera beroperasi di masa depan.

“Kapabilitas fundamental model komputasi kuantum telah menjadi diskusi sentral dalam teori komputasi kuantum sejak awal,” kata peneliti MIT-IBM Watson AI Lab Patrick Rall, yang tidak terlibat dalam makalah ini. “Di antara model-model awal ini adalah mesin Turing kuantum yang mampu mengontrol aliran kuantum. Namun, bidang ini sebagian besar telah beralih ke model sirkuit yang lebih sederhana dan lebih nyaman, di mana kuantum kekurangan aliran kontrol. Yuan, Villanyi, dan Carbin berhasil menangkap alasan mendasar untuk transisi ini dengan perspektif bahasa pemrograman. Sementara aliran kontrol sangat penting untuk pemahaman kita tentang komputasi klasik, kuantum sangat berbeda! Saya mengharapkan pengamatan ini menjadi krusial untuk desain kerangka perangkat lunak kuantum modern saat platform perangkat keras menjadi lebih matang.” Makalah tersebut mencantumkan dua anggota CSAIL lainnya sebagai penulis: mahasiswa PhD Ági Villányi ’21 dan Profesor Asosiasi Michael Carbin. Pekerjaan mereka didukung, sebagian, oleh National Science Foundation dan Sloan Foundation.