Recent Advancements, IBM Quantum Experience
Andi Sama — CIO, Sinergi Wahana Gemilang
Artikel ini merupakan update dari artikel sebelumnya (2019)Quantum Advantage, adalah kondisi yang secara potensial menempatkan kemampuan suatu quantum computer jauh melebihi kemampuan supercomputer konvensional yang paling canggih sekalipun. IBM memprediksi bahwa titik awal menuju Quantum Advantage akan terjadi di tahun 2023, dengan rencana diluncurkannya IBM Quantum Computer berbasis 1121 qubit (IBM, 2020f).
Komputer berbasis kuantum yang ditujukan untuk melakukan problem solving untuk hal-hal yang bersifat sangat kompleks inilah yang sedang aktif dikembangkan oleh IBM, salah satunya di pusat riset IBM Thomas J. Watson Research Center, Yorktown Heights, USA. Problem bersifat kompleks biasanya bersifat exponential, yang kalau dijalankan di komputer konvensional biasa (sekelas super komputer), akan memakan waktu yang sangat lama yang tidak reasonable (bertahun-tahun atau bahkan puluhan tahun misalnya). Berbagai aplikasi potensial untuk quantum computer termasuk Machine Learning, Simulation dan Optimization yang dapat diterapkan dalam berbagai sektor Industri ditunjukan pada dua ilusrasi berikut.
Baru-baru ini (Januari 2019) IBM mengumumkan IBM Quantum Computer (IBM Q System One) yang sangat menjanjikan untuk menjadi server komputasi masa depan yang berbasiskan kuantum. IBM Q yang sebelumnya hanya tersedia pada IBM Cloud (IBM Quantum Experience), kini telah tersedia secara on-premise.
Saat ini, IBM dengan 28 sistem quantum computer-nya yang telah dapat diakses secara live oleh publik (IBM Quantum Experience melalui IBM Cloud), menjadi leader di area cutting-edge research untuk masa depan ini. Sistem yang telah live ini termasuk 8 sistem dengan quantum volume = 32, juga sistem yang memiliki 53-qubit dan juga system dengan quantum volume = 64 (IBM, 2020e). Ilustrasi berikut menunjukkan rencana pengembangan IBM Quantum Computer dalam beberapa tahun ke depan (IBM, 2020f).
Di bulan September 2020, IBM kembali meluncurkan quantum computer dengan kapasitas 65-qubit (IBM, 2020f). Berbagai pihak juga melakukan riset di area ini (TheQuantumDaily, 2020) — termasuk: Google, Honeywell, Intel, Microsoft, dan Rigetti. Termasuk juga beberapa perusahaan startup seperti AQT, Atom, IonQ, PsiQuantum, Pasqal, Silicon QC dan Xanadu.
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
Sejak bulan Mei tahun 2016, IBM quantum computing experience on IBM cloud (IBM, 2020c) telah dapat diakses oleh publik, dan telah dimanfaatkan terutama oleh para periset pionir yang bekerja dalam area cutting edge technologies untuk membuat terobosan-terobosan baru untuk masa depan.
Inisiatif komputasi berbasis kuantum pada awalnya berdasarkan deep-advanced-research selama puluhan tahun, yang bertujuan untuk membangun Universal Quantum Computer. Penemuan Shor’s Algorithm (Wikipedia, 2018), algoritma berbasis kuantum untuk melakukan large number factoring, telah menjadi titik tolak masuknya big players di Industri Teknologi Informasi (termasuk IBM) untuk membangun Quantum Computer untuk tujuan komersial. Target ambisiusnya tentunya mencapai Quantum Advantage dalam beberapa tahun ke depan. Para scientist percaya bahwa pencapaian di atas 50 qubits merupakan suatu langkah awal, yang memungkinkan suatu Universal Quantum Computer untuk memiliki kecepatan proses yang melebihi kecepatan Super Computer apapun (yang berbasis transistor/bit) yang tercepat saat ini.
Ilustrasi berikut menggambarkan alur kerja sistem quantum computer yang berbasiskan superconducting qubit, seperti pada IBM Quantum Computer. Suatu job (quantum circuit) di-submit dari classical computer ke IBM quantum computer. Job ini di-execute di quantum computer dan menghasilkan return value berupa quantum measurement yang akan diproses lebih lanjut oleh classical computer (komputer saat ini yang berbasis bit).
Bit dan 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 secara fisik transistor tidak akan dapat diperkecil lagi karena sudah menjadi sedemikian kecilnya sehingga sudah mendekati ukuran sebuah atom. Dan saat tersebut adalah sebentar lagi, mungkin saja dalam jangka waktu kurang dari 10 tahun lagi. Artinya, jika tidak ada inovasi yang baru, smartphone/tablet/komputer kita (dengan mempertahankan ukuran yang sama) tidak akan bisa bertambah canggih lagi.
Ada sekitar 8,5 Milyar transistor dalam sebuah chip Apple A13 pada iPhone 11 dan sekitar 54 Milyar transistor di prosesor terbaru NVidia GPU GA100. Satu transistor di iPhone 6 misalnya, sudah seukuran 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).
Saat ini (2020) ukuran sebuah transistor sudah sedemikian kecilnya, hingga terukur dalam ukuran beberapa belas nanometer (nm) saja. Disinilah inovasi baru, quantum computer dapat berperan. Dengan memanfaatkan kemampuan superposisi dari suatu pergerakan elektron di sebuah atom, komputer berbasis kuantum menjanjikan peningkatan kinerja yang luar biasa dibandingkan dengan komputer yang ada pada saat ini.
Walaupun tidak semua hal yang dilakukan oleh computer 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.
Transistor, Bit → Byte
Berbagai pemrosesan yang dilakukan oleh digital komputer yang kita kenal saat ini dilakukan berdasarkan bilangan berbasis 2 (bilangan dasar 2), yang kita kenal sebagai bilangan biner yang dalam suatu saat, dapat berada hanya dalam 2 keadaan saja yaitu ‘0’ atau ‘1’ (tidak bersamaan), inilah dasar yang kita kenal sebagai binary digit (bit). Komputer berbasiskan bit ini dikenal sebagai Classical Computer.
Kumpulan bit yang berjumlah delapan (8 bit) membentuk apa yang kita kenal sebagai 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, EB).
Huruf “A besar” misalnya yang ditampilkan di layar komputer kita, disimpan di memori komputer dalam bentuk 8 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 suatu bit 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.
Qubit dan Quantum Computer
IBM Quantum Computer yang dapat diakses oleh publik melalui IBM Cloud sejak bulan 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’, saat di-measured. Namun tidak seperti bit yang hanya dapat berada dalam keadaan ‘0’ atau ‘1’, Qubit memiliki keadaan lainnya yaitu dalam suatu saat yang bersamaan dapat berada di keadaan (state) ‘0’ dan ‘1’ (walaupun sesungguhnya dapat lebih dari hanya ‘0’ dan ‘1’ secara bersamaan). Inilah yang disebut sebagai superposisi.
Status IBM Quantum Computer 15-qubits pada bulan Agustus 2020 diperlihatkan pada Ilustrasi berikut. IBM Quantum Computer ini secara fisik berada di salah satu pusat riset IBM di Melbourne, Australia.
Ilustrasi berikut menggambarkan suatu quantum circuit dalam konfigurasi GHZ (Bell State/Entanglement) yang dieksekusi pada 5 qubits real device — IBMQ London Quantum Computer). Berbagai tutorial dasar telah disediakan bagi para periset yang ingin melakukan eksplorasi terhadap dunia komputasi masa depan ini.
Dalam perkembangannya, pada kuartal keempat 2020 telah tersedia 28 IBMQ real quantum computer yang dapat diakses publik. Ada 1, 5, 20, 53 bahkan 65-qubits di berbagai lokasi (5-Qubits di Burlington USA, juga Ourense, Vigo & Valencia di Spanyol serta London & Essex di UK. Termasuk misalnya IBMQ16 15-Qubits di Melbourne, Australia. 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 IBM Quantum Computing Experience.
Aplikasi Quantum Computer
Dikutip dari IBM Newsroom bertajuk “IBM Unveils World’s First Integrated Quantum Computing System for Commercial Use” (IBM, 2020e): IBM Q (komputer kuantum) berbasis qubit dirancang untuk memecahkan masalah yang pada saat ini dilihat sebagai masalah yang terlalu kompleks (dan bersifat 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 Bigdata, IoT, Security, Containerization, Blockchain dan Artificial Intelligence misalnya.
Berbagai riset dan aplikasi masa depan dapat meliputi hal-hal sebagai berikut:
- Penemuan obat baru (Quantum Chemistry untuk 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 (Optimization untuk 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 (Modeling untuk Financial Services): Membantu menemukan cara baru untuk memodelkan data finansial dan meminimisasi (atau mengisolasi) faktor-faktor resiko global sehingga dapat melakukan aktifitas investasi yang lebih baik.
- Kecerdasan buatan (Quantum Machine Learning untuk 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 (Quantum Key Distribution, Post Quantum Cryptography dan Quantum Communication untuk Security): Membuat komputasi berbasis cloud menjadi lebih aman melalui penerapan hukum-hukum fisika kuantum.
Pengenalan Pemgrograman Komputer Kuantum, dengan Python & 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 quantum assembly-code (QASM, yang dilengkapi dengan QASM editor) untuk mengakses IBM Quantum Computer ini, sehingga memberikan lebih banyak kemudahan. Kemudian, pada bulan Maret 2017 sudah mulai tersedia pula SDK (Software Development Kit) dengan nama QISkit (Quantum Information Science Kit) dalam bentuk API — Application Programming Interface (dalam bahasa pemgrograman: Phyton) dan dapat diakses oleh publik di Github. Full SDK-nya telah tersedia sejak kuartal ketiga 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 sepuluh tahun ke depan (menuju tahun 2030).
Environment setup
Ada berbagai pendekatan yang dapat dilakukan untuk mencoba kuantum komputer ini. Akses IBM quantum computer simulator atau IBM real quantum computer langsung dari IBM Quantum Computing Experience, juga akses dari remote (pendekatan hybrid cloud).
Contoh yang ditampilkan di sini adalah 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.
Programming Qubit dengan Quantum Computer (IBMQ), menggunakan IBM QISkit
Ilustrasi berikut menunjukkan kode pemrograman dalam Bahasa pemrograman Python. Dimulai dengan 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).
Kemudian ditunjukkan cara membentuk suatu quantum circuit (circuit = QISkit.QuantumCircuit()) yang berisi dua quantum register (QISkit.QuantumRegister()) dan dua classical register (QISkit.ClassicalRegister()), yang diakhiri dengan melakukan quantum measurement (circuit.measure()) terhadap 2-qubits tersebut.
Quantum circuit yang telah didefinisikan diproses oleh IBM quantum computer (dapat dilihat di sini bahwa kita menggunakan IBMQ 15-qubits quantum computer yang ada di Australia: ibmq_16_melbourne).
Hasil yang didapat dari 1024-shots (quantum circuit yang di-run pada quantum computer sebanyak 1024 kali) adalah: {‘00’: 50,8%; ‘01’: 3,6%; ‘10’: 3,6%; ‘11’: 42,0%} yang berarti dari sebanyak 1024-shots yang dilakukan pada real quantum computer terhadap quantum circuit tersebut, didapatkan hasil quantum state = ‘00’ sebanyak 50,8% (520 kali), ‘01’ sebanyak 3,6% (37 kali), ‘10’ sebanyak 3,6% (37 kali) dan ‘11’ sebanyak 42,0% (430 kali).
IBM QISkit
Saat pertama kali IBM membuka akses Quantum Computer kepada masyarakat luas (melalui IBM Cloud, 2016), hanya tersedia interface untuk pemrograman IBM Quantum Computer (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 berikut:
- Terra (foundation — circuit & pulses).
- Aqua (menunjang aplikasi vertical di area seperti AI — Artificial Intelligence, Chemistry, dan Finansial).
- Aer (execute circuit yg dibuat pada QISkit Terra).
- Ignis (design a better way to do quantum computing).
Bagaimana Langkah Selanjutnya?
Sampai tulisan ini dipublikasikan, IBM Summit menjadi salah satu super komputer yang tercepat di dunia (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, 2020a, “Hello Tomorrow — I am a Hybrid QML".
- Andi Sama, 2020b, “Quantum Random Number Generator (QRNG)”.
- Andi Sama, 2020c, “Quantum Teleportation: Demonstrate Quantum Information Teleportation with Qiskit on IBM Q”.
- Andi Sama, 2020d, “Hello Many Worlds in Quantum Computer - Demonstrate 2-Qubits Entanglement with Qiskit on IBM Q”.
- Andi Sama, 2020f, “The Race in Achieving Quantum Supremacy & Quantum Advantage”.
- IBM, 2020a, “Coming soon to your business: Quantum computing”.
- IBM, 2020b, “Qiskit Global Summer School”, July 20–31 2020.
- IBM, 2020c, “IBM Quantum Experience”.
- IBM, 2020d, “Qiskit, An Open-Source Quantum Computing Software Development Framework”.
- IBM, 2020e, “IBM hits new quantum computing milestone”.
- IBM, 2020f, “IBM’s Roadmap For Scaling Quantum Technology”, September 2020.
- IBM Research, 2020, “Illustration of Quantum Information Processing”.
- James Wootton, 2018, “What is meant by ‘Noisy Intermediate-Scale Quantum’ (NISQ) technology?”, IBM Research.
- John Preskill, 2018, “Quantum Computing in the NISQ era and beyond”, Cornell University.
- MacQuarrie, E.R., Simon, C., Simmons, S. et al., 2020, “The emerging commercial landscape of quantum computing”, Nat Rev Phys (2020).
- PR NewsWire, 2020, “Cambridge Quantum Computing Partners With IBM to Expand Industry Engagement in Quantum”, July 17 2020.
- Qiskit Community Team, 2020, “Learn Quantum Computation using Qiskit”, Qiskit.org.
- Qiskit YouTube Channel, 2020, “Quantum Information Science kit”, Qiskit.org.
- TheQuantumDaily, 2020, “The Quantum Technology Survey”, September 2020.
- Wikipedia, 2018, “Shor’s algorithm” by Prof Peter Shor in 1994.
