Recent Advancements, IBM Q Quantum Computer
Andi Sama — CIO, Sinergi Wahana Gemilang
This article was first appeared in SWG site on facebook.com (posted by Andi Sama on April 8, 2019). The original article can be found in the following link: https://web.facebook.com/SinergiWahanaGemilang/photos/a.208444795905448/2152238868192688/
Quantum Supremacy, adalah kondisi yang secara potensial menempatkan kemampuan suatu quantum computer untuk dapat melakukan berbagai hal (solving complex problems) melebihi kemampuan supercomputer konvensional yang ada saat ini. Universal quantum computer dengan target lebih dari 50-qubits inilah yang saat ini sedang aktif diriset pada IBM Thomas J. Watson Research Center, Yorktown Heights, USA.
IBM menjadi leader di area cutting-edge research untuk masa depan ini, bahkan branding baru IBM Q telah mulai diperkenalkan ke publik sejak bulan Maret 2017. Lainnya yang melakukan riset di area ini (ataupun berkomitmen) termasuk Google, Intel & Microsoft. Termasuk juga beberapa perusahaan startup seperti Rigetti Computing, IonQ dan Quantum Circuits (source: MIT Technology Review, March/April 2018).
Inisiatif yang pada awalnya berdasarkan deep-advanced-research selama puluhan tahun yang bertujuan untuk membangun Universal Quantum Computer ini, akhirnya memiliki target untuk membuatnya menjadi komersial. Target ambisiusnya tentunya mencapai Universal Quantum Computer dengan minimum 50-qubits (yang stabil) dalam beberapa tahun mendatang. Para scientist percaya bahwa 50-qubits merupakan suatu langkah awal, yang memungkinkan suatu Universal Quantum Computer untuk memiliki kecepatan proses yang melebihi kecepatan segala Super Computer berbasis transistor/bit yang tercepat saat ini.
Baru-baru ini (2018 IBM telah mengumumkan portfolio sistem hardware IBM yang terbaru: IBM Quantum Computer (IBM Q) yang sangat menjanjikan untuk menjadi server masa depan dalam beberapa dekade ke depan. Sejak pertengahan tahun 2016, IBM Q sudah mulai dapat diakses untuk para periset pionir yang bekerja dalam area cutting edge technologies untuk membuat terobosan-terobosan baru untuk masa depan. Sistem hardware IBM Q yang sebelumnya hanya tersedia di IBM Cloud (IBM Quantum Experience), mulai akan tersedia segera secara on-premise dengan diumumkannya IBM Q System One (20 Qubits) di awal bulan Januari 2019.
Classical Computer
Kemajuan perkembangan teknologi begitu cepatnya, terutama dalam satu dekade terakhir ini. Baik komputer maupun smartphone yang sudah akrab dengan kehidupan kita sehari-hari selalu berlomba untuk bertambah cepat setiap tahunnya (dengan ukuran yang kurang lebih sama). Artinya, berbagai komponen penunjangnya haruslah dibuat semakin kecil, ini yang kita kenal sebagai hukum Moore (Moore’s law) di mana setiap 18 bulan, kepadatan transistor (dalam suatu chip) diprediksikan akan bertambah 2 kali lipat.
Inovasi terus dilakukan untuk membuat ukuran transistor semakin kecil untuk menambah kepadatan jumlah transistor dalam keping prosesor, tentunya dengan tujuan untuk membuat kinerja prosesor jauh lebih baik lagi tanpa memperbesar ukuran chip tersebut. Hal ini telah berlangsung selama lebih dari 50 tahun sejak mulai diprediksikan oleh Gordon Moore, Co-Founder Intel pada tahun 1965.
Satu saat, inovasi ini akan berhenti karena transistor tidak dapat diperkecil lagi karena sudah menjadi sangat kecil dan mendekati ukuran sebuah atom. Dan saat tersebut adalah sebentar lagi, mungkin saja dalam jangka waktu hanya 10-an tahun lagi. Artinya, jika tidak ada inovasi yang baru, smartphone/tablet/komputer kita (dengan ukuran yang sama) tidak akan bisa bertambah canggih lagi.
— — — — -
Today, quantum computing is a researcher’s playground. In five years, it will be mainstream
In five years, the effects of quantum computing will reach beyond the research lab. It will be used extensively by new categories of professionals and developers looking to this emerging method of computing to solve problems once considered unsolvable.
IBM, 2018
— — — — —
Ada sekitar 2 Milyar transistor dalam sebuah iPhone 6 dan sekitar 5,5 Milyar transistor di prosesor Intel Xeon 18 core (iPhone 6 dan Intel Xeon 18 core diperlihatkan dalam ilustrasi-2). Satu transistor di iPhone 6 sudah sekecil 20 nano meter. Sedemikian kecilnya, sehingga jauh lebih kecil (sekitar 4000x lebih kecil) dari ukuran sehelai rambut kita. Ukuran sebuah atom kira-kira sepertiga nanometer (sekitar 240 ribu kali lebih kecil dari sehelai rambut manusia).
Disinilah inovasi baru, quantum computer dapat berperan. Dengan memanfaatkan kemampuan superposisi dari suatu pergerakan elektron di sebuah atom, komputer berbasis quantum menjanjikan peningkatan kinerja yang luar biasa dibandingkan dengan komputer yang ada pada saat ini.
Walaupun tidak semua hal yang dilakukan oleh komputer yang ada pada saat ini dapat digantikan oleh quantum computer, pada dasarnya berbagai aplikasi yang membutuhkan kinerja tinggi dan kemampuan komputasi yang cepat akan dapat mengambil manfaat dari keberadaan quantum computer ini. Ilustrasi-1 menunjukan berbagai potensi penerapan quantum computer dalam berbagai bidang industri.
Transistor -> Bit ->Byte
Berbagai pemrosesan yang dilakukan digital komputer yang kita kenal saat ini adalah berdasarkan bilangan berbasis 2 (bilangan dasar 2) yang kita kenal sebagai bilangan biner yang dalam suatu saat, dapat berada dalam 2 keadaan saja yaitu ‘0’ atau ‘1’ (tidak bersamaan), inilah dasar yang kita kenal sebagai binary digit (bit).
Kumpulan bit yang berjumlah delapan (8 bit) membentuk 1 Byte. 1024 (210) Bytes menjadi 1 Kilo Bytes (1 KB), 1024 x 1024 (220) Bytes membentuk 1 Mega Bytes (1 MB), dan 1024 x 1024 x 1024 (230) Bytes membentuk 1 Giga Bytes (1 GB). Demikian pula seterusnya: Tera Bytes (240, TB), Peta Bytes (250, TB), Exa Bytes (260, TB).
Huruf “A besar” misalnya yang ditampilkan di layar komputer kita, di simpan di memori komputer dalam bentuk deretan bit ‘0’ dan ‘1’. Dalam hal ini huruf ‘A’ disimpan sebagai urutan 1 Byte (8-bit MSB, most significant bit, dibaca dari bit paling kiri ke kanan) sebagai ‘01000001’ atau 0x‘41’ dan huruf ‘B’ sebagai ‘01000010’ atau 0x‘42’ dalam bilangan berbasis 16 (heksa desimal).
Dasar dari pembentukan bit ini adalah transistor (yang pada umumnya terbentuk dari Silicon dan Germanium), di mana ada sebuah electronic input gate yang dengan mengendalikan tegangan inputnya menjadi kurang atau lebih dari suatu threshold tertentu, menghasilkan output menjadi low ‘0’ atau high ‘1’ sehingga membentuk salah satu dari 2 keadaan dari suatu bit. Saat ini ukuran sebuah transistor sudah sedemikian kecilnya, hingga terukur dalam ukuran beberapa belas nanometer (nm) saja.
Qubit dan IBM Quantum Computer
IBM Quantum Computer yang dapat diakses oleh publik melalui IBM Cloud (sebelumnya bernama Bluemix Platform as a Service) mulai awal Mei 2016 sangatlah berbeda dengan komputer yang beroperasi dengan dasar bit. Dasar dari pemrosesan sebuah Quantum Computer adalah quantum bit, yang disebut juga sebagai Qubit.
Pada dasarnya suatu Qubit juga memiliki keadaan seperti bit yaitu ‘0’ atau ‘1’. Namun tidak seperti halnya bit yang hanya dapat berada dalam keadaan ‘0’ atau ‘1’, Qubit memiliki keadaan lainnya yaitu dalam suatu saat yang bersamaan dapat berada di keadaan ‘0’ dan ‘1’. Suatu keadaan yang disebut sebagai superposisi.
Status IBM Quantum Computer 5-qubits pada bulan Mei 2018 diperlihatkan pada Ilustrasi-5. IBM Quantum Computer ini secara fisik berada di pusat riset IBM di New York, Amerika Serikat (ilustrasi-4).
Ilustrasi-6 menggambarkan editor untuk pemrograman quantum computer 5 qubit ini. Berbagai tutorial dasar telah disediakan bagi para periset yang ingin melakukan eksplorasi terhadap dunia komputasi masa depan ini. Di bulan Maret 2017, IBM Quantum Computer telah di-upgrade menjadi 20-qubits (dalam mode simulasi. Real quantum computer tetap di 5-qubits).
Perkembangannya terjadi cepat sekali, di mana pada awal tahun 2019 (Januari), telah tersedia real quantum computer 5, 14, 16 dan 20-qubits pada beberapa lokasi (IBM Q5 Tenerife — Spain, IBM Q5 Yorktown — USA, IBM Q14 Melbourne — Australia, IBM Q16 Rüschlikon — Switzerland, IBM Q20 Tokyo — Japan, dan IBM Q20 Austin — USA). Simulator quantum computer bahkan telah tersedia dalam 32-qubits (IBM QASM 32-qubits simulator).IBM Quantum Computer merupakan quantum computer pertama di dunia yang aksesnya dibuka untuk publik yang diharapkan untuk dapat digunakan sebaik-baiknya bagi kepentingan riset untuk pengembangan komputasi masa depan. URL-nya dapat diakses di https://quantumexperience.ng.bluemix.net.
Di dunia akademis sendiri, eksplorasi komputasi quantum dapat dilakukan melalui simulasi komputer, tanpa harus memiliki quantum computer hardware-nya. Namun tentu saja hasil yang didapat bisa berbeda bila dilakukan langsung di hardware-nya langsung, real quantum computer. Salah satunya adalah Quantum Computation Language (QCL) seperti diilustrasikan pada ilustrasi-7.
Aplikasi Quantum Computer
Dikutip dari IBM Newsroom bertajuk “IBM Building First Universal Quantum Computers for Business and Science”: IBM Q (komputer kuantum) berbasis qubit akan dirancang untuk memecahkan masalah yang pada saat ini dilihat sebagai masalah yang terlalu kompleks (dan eksponensial) untuk dapat dipecahkan dengan komputer yang berbasiskan bit (komputer klasik).
Bagi IBM, komputer kuantum merupakan langkah strategis untuk eksplorasi berbagai layanan canggih di masa depan, setelah teknologi berbasis Watson, Artificial Intelligence dan blockchain.
Berbagai riset dan aplikasi masa depan dapat meliputi hal-hal sebagai berikut:
Penemuan obat baru (New Drug discovery): Memahami interaksi molekul dan reaksi kimia yang sedemikian kompleksnya, sehingga dapat berujung kepada penemuan obat-obat baru di dunia kedokteran dan farmasi.
Rantai pasokan & logistik (Supply Chain & Logistics): Mencari jalur yang optimal dari berbagai sistem dan subsistem untuk sangat mengefisienkan rantai pasokan dan logistik (missal: optimisasi operasi kendaraan pengangkut barang saat musim liburan).
Layanan Finansial (Financial Services): Membantu menemukan cara baru untuk memodelkan data finansial dan meminimisasi (atau mengisolasi) factor-factor resiko global sehingga dapat melakukan aktifitas investasi yang lebih baik.
Kecerdasan buatan (Artificial Intelligence): Membuat berbagai komponen dari artificial inteligence seperti halnya machine learning menjadi jauh lebih baik, saat volume data-nya sudah terlalu besar (misal dalam melakukan pencarian data berbasis gambar atau video).
Cloud Security: Membuat komputasi berbasis cloud menjadi lebih aman melalui penerapan hukum-hukum fisika kuantum.
Pengenalan Programming Qubits dengan Python & IBM QISkit
Pada awalnya, pengetahuan mengenai sifat dan cara kerja atom serta pergerakan elektron (quantum mechanics) sangat diperlukan untuk dapat memahami ini. Juga konsep superposition dan entanglement.
Sejak kuartal-4 2016, IBM telah membuat assembly-code (dilengkapi dengan QASM editor, ilustrasi-6) untuk mengakses IBM Quantum Computer ini, sehingga memberikan lebih banyak kemudahan.
Di bulan Maret 2017 yang lalu, sudah mulai tersedia pula SDK (Software Development Kit) dengan nama QISkit (Quantum Information Science Kit) dalam bentuk beberapa API — Application Programming Interface (dalam bahasa pemgrograman: Phyton). Saat ini sudah tersedia dan dapat diakses oleh publik di Github. Full SDK-nya telah tersedia sejak kuartal ketiga di tahun 2017, yang tentunya membuka kesempatan untuk bagi siapa saja (tanpa memiliki pengetahuan yang mendalam di fisika kuantum) untuk mendapatkan early-access ke teknologi yang diprediksikan akan mengubah banyak hal di tahun-tahun mendatang.
QISKit merupakan Open Source Quantum Information Software Kit yang memudahkan kita untuk bekerja dengan OpenQASM (IBM Quantum Assembly Language) dan tentunya IBM Q Quantum Processor Hardware. Apa saja yang bisa dilakukan? Membuat program berbasiskan quantum computation, melakukan kompilasi, serta mengeksekusinya pada simulator maupun online real quantum processor.
Saat ini, Quantum Computing memang belum banyak diadopsi dan masih banyak digeluti oleh para periset dengan keahlian yang khusus saja. Namun diperkirakan, teknologi ini akan menjadi mainstream dalam beberapa tahun ke depan.
— — — — —
Superposition
A superposition is a weighted sum or difference of two or more states; for example, the state of the air when two or more musical tones are sounding at once. Ordinary, or “classical,” superpositions commonly occur in everyday phenomena involving waves.
Entanglement
Entanglement is a property of most quantum superpositions and does not occur in classical superpositions. In an entangled state, the whole system is in a definite state, even though the parts are not. Observing one of two entangled particles makes it behave randomly, but tells the observer exactly how the other particle would act if a similar observation were made on it.
- IBM Quantum Experience, January 2019 -
— — — — —
Environment setup
Ada berbagai pendekatan yang dapat dilakukan untuk mencoba ini. Akses IBM quantum computer simulator atau IBM real quantum computer langsung dari IBM Cloud dengan Watson Studio, juga akses dari remote (pendekatan hybrid cloud).
Penulis melakukannya dengan pendekatan kedua, di mana Jupyter Notebook (editor untuk melakukan programming seperti untuk Python programming language) dijalankan di Windows 10 dan Jupyter Notebook server + IBM QISkit Python library dijalankan di Windows 10 Subsystem for Linux (WSL) dengan operating system: Ubuntu.
Ilustrasi-10 menunjukkan kode pemgrograman dalam Bahasa pemrograman Python, sebagai langkah pertama untuk melakukan loading berbagai fungsi yang dibutuhkan dari IBM QISkit library.
Tentu saja, sebelum dapat memulai melakukan pemgrograman, environment perlu dipersiapkan sebelumnya (instalasi Jupyter Notebook dengan berbagai pendukung standard library-nya, juga instalasi IBM QISkit python library).
Ilustrasi-11 menunjukkan cara membentuk suatu quantum circuit (program = QISkit.QuantumCircuit()) yang berisi dua quantum register (QISkit.QuantumRegister()) dan dua classical register (QISkit.ClassicalRegister()), yang diakhiri dengan melakukan quantum measurement (program.measure()) terhadap 2-qubits tersebut.
Di sini akan ditunjukkan dua cara, bagaimana suatu quantum circuit yang telah didefinisikan sebelumnya, diproses oleh suatu quantum simulator (IBM QASM Simulator) dan real quantum computer (IBMQ). Tujuannya hanya untuk melakukan inisialisasi kedua qubits itu menjadi quantum state ‘00’ atau dapat dituliskan sebagai |00>.
Programming Qubit dengan IBM Quantum Simulator, menggunakan IBM QISkit
Cara pertama adalah seperti yang ditunjukkan pada ilustrasi-12 di mana quantum circuit yang telah didefinisikan diproses oleh IBM quantum simulator (dari yang penulis sudah coba, maksimum jumlah qubit yang dapat diproses pada simulator adalah 24-qubits).
Hasil yang di dapat adalah {00, 1024}. Hasil ini berarti, dari sebanyak 1024 simulasi yang dilakukan pada quantum simulator terhadap quantum circuit tersebut, didapatkan hasil quantum state = ’00’ sebanyak 100% (1024 kali). Ini setara dengan angka biner ’00’.
Jumlah kombinasi yang mungkin didapatkan adalah 4 (2 pangkat 2), yaitu ’00’ biner, ’01’ = 1 desimal, ’10’, dan ’11’ biner. Hasil ‘00’ ini jika dituliskan dalam qubit energy level adalah sbb: |00>, dalam hal ini quantum state |00> dikatakan ada di low energy level state.
Kalau misalnya kita mendefinisikan 3-qubits, ada delapan (2 pangkat 3) kombinasi yang mungkin didapatkan adalah ‘000’ biner = 0 decimal, ‘001’, ‘010’, ‘011’, ‘100’, ‘101’, ‘110’, dan ‘111’. Jika misalnya dalam suatu quantum measurement kita mendapatkan hasil ‘111’, maka quantum state dari qubits tersebut dituliskan sebagai |111> (qubits berada pada high energy state).
Programming Qubit dengan Quantum Computer (IBMQ), menggunakan IBM QISkit
Cara kedua adalah seperti yang ditunjukkan pada ilustrasi-13 di mana quantum circuit yang telah didefinisikan diproses oleh IBM quantum computer (dapat dilihat di sini bahwa kita menggunakan IBMQ 16-qubits quantum computer yang ada di Australia: ibmq_16_melbourne).
Hasil yang didapat dari 1024-shots (di-run pada quantum computer sebanyak 1024 kali) adalah: {‘10’: 4, ‘11’: 1, ‘00’: 1013, ‘01’: 6} yang berarti dari sebanyak 1024-shots yang dilakukan pada real quantum computer terhadap quantum circuit tersebut, didapatkan hasil quantum state = ‘10’ sebanyak 0,390% (4 kali), ‘11’ sebanyak 0,097% (1 kali), ‘00’ sebanyak 98,925% (1013 kali) dan ‘01’ sebanyak 0.585% (6 kali).
IBM QISkit
Saat pertama kali IBM membuka akses Quantum Computer kepada masyarakat luas (melalui IBM Cloud, 2016), hanya tersedia interface untuk pemgrograman IBM Quantum Computer seperti pada ilustrasi-6 (bahkan tanpa adanya QASM). Seiring berjalannya waktu, QASM (assembly code untuk quantum computer mulai diperkenalkan, dan mulai tahun 2017 tersedia akses pemgrograman melalui Python (Python library yang bernama: IBM QISkit — IBM Quantum Information Science kit).
Saat ini QISkit terbagi menjadi 4 fokus area, seperti ditunjukkan pada tabel-1:
- Terra (foundation — circuit & pulses).
2. Aqua (menunjang aplikasi vertical di area seperti AI — Artificial Intelligence, Chemistry, dan Finansial).
3. Aer (execute circuit yg dibuat pada QISkit Terra).
4. Ignis (design better way to do quantum computing).
Bagaimana langkah selanjutnya?
Sampai tulisan ini dipublikasikan, IBM Summit menjadi super komputer nomor satu yang tercepat di dunia (sejak 2018 sampai sekarang, source: https://www.top500.org). Kemampuan komputasinya mencapai 200 PF (Petaflops), 9.216 IBM POWER9 CPU prosesor + 27.648 NVidia GPU (Graphic Processing Unit), kapasitas memory >10 PB (Peta Bytes), kapasitas storage: 250 PB. Analoginya (menurut IBM), super komputer yang terpasang di Oak Ridge National Laboratory ini (lokasi: Tennessee, Amerika Serikat), sekitar satu juta kali lebih powerful dari laptop/notebook yang paling powerful saat ini.
IBM Summit termasuk Classical Computer dengan arsitektur yang sangat berbeda dengan Quantum Computer. Suatu saat, jika quantum computer telah menjadi mainstream (diadopsi secara luas dengan jumlah qubits yang memadai untuk berbagai aplikasi terapan yang memang kompleks, di main ini diharapkan akan terjadi dalam sepuluh tahun ke depan), quantum computer tersebut akan jauh melampaui supercomputer apapun yang tercepat saat ini.
Saat ini eksplorasi quantum computer memang masih banyak dilakukan oleh para scientist dan komunitas riset yang memang tertarik di bidang ini. IBM QISkit Aqua sendiri telah membuka peluang untuk kita melakukan eksplorasi di berbagai bidang terapan teknologi: Artificial Intelligence, Chemistry dan juga finansial.
Satu pertanyaan yang muncul misalnya: “Apakah dengan adanya quantum computer, Moore’s law yang selama ini mengacu kepada classical computer masih berlaku?”
Tentu saja seiring dengan perkembangannya, berbagai kemajuan riset pada quantum computer akan dapat tercapai untuk dapat kita nikmati, mudah-mudahan dalam waktu yang tidak terlalu lama di masa depan.
Sejak diumumkan di tahun 2017, IBM Q, sebutan untuk IBM Quantum Computer telah tersedia dan dapat diakses melalui IBM Cloud (sejak pertengahan 2016).
Pertanyaannya saat itu, apakah IBM Q akan tersedia secara on-premise dalam beberapa tahun ke depan? Apakah dengan tersedia secara on-premise akan banyak yang membutuhkannya?
Pertanyaan ini akhirnya terjawab sudah, IBM Q telah tersedia untuk instalasi secara on-premise, sejak akhir 2018.
Bagaimana, apakah anda tertarik untuk mulai bereksperimen dengan teknologi canggih masa depan ini?
References:
Andi Sama, “Quantum Superposition & Entanglement on IBMQ”, Accessed online on January 23, 2019 at 9:12 AM.
IBM, “IBM Quantum Experience”, Accessed online on January 19, 2019 at 11:55 AM.
Qiskit.org, “Open-source quantum computing framework”, Accessed online on January 17, 2019 at 2:30 PM.
