24.4.20

Teknologi Kuantum dan Menggerakkan Penyelidikan Tempatan

Mukaddimah

Sejak perintah kawalan pergerakan yang bermula lima minggu lalu, penggunaan internet melonjak kerana sebahagian besar aktiviti harian kita terpaksa dilakukan secara dalam talian; dari pembelian keperluan dapur ke transaksi perbankan hingga ke menjalankan mesyuarat di pelbagai peringkat. Justeru itu, perkara jangka panjang yang perlu diambil berat pada era pasca Covid-19 dengan norma baharunya adalah akses internet yang berkebolehharapan tinggi, pantas dan selamat. Dengan itu, di samping menyokong keperluan tumpuan penyelidikan mengawal penularan penyakit Covid-19 dan mencari vaksinnya, perlu juga melihat keperluan pemantapan teknologi internet dan keperluan baharunya seperti teknologi kuantum.


Revolusi Kuantum Pertama

Fizik kuantum sudah lama menyumbang kepada teknologi sedia ada, yang telah berleluasa penggunaannya (Revolusi Kuantum Pertama). Antara yang lazim disebut adalah penemuan laser yang menjadi tulang belakang kepada teknologi komunikasi kini dan penemuan transistor yang merupakan komponen utama litar bersepadu dalam teknologi elektronik. Selain daripada laser dan transistor, yang kurang dibincangkan adalah bagaimana teori kuantum mendasari hampir semua jenis spektroskopi yang ada kini. Terdapat banyak aplikasi spektroskopi dalam pencirian bahan atau dalam memahami fenomena fizik. Mungkin kita masih ingat pelajaran tiub sinar-x yang menghasilkan dua jenis taburan atau spektrum (lihat gambarajah di bawah) iaitu spektrum selanjar dan spektrum diskrit. Kes yang diskrit hanya dapat difahami melalui teori kuantum apabila elektron bahan membuat peralihan dari suatu petala tinggi ke petala dasar. Dengan spektroskopi sedemikianlah, unsur-unsur yang ada dalam bahan dapat dikenalpasti. Begitu juga dengan spektroskopi yang lain melibatkan perihalan fizik kuantum dalam gerakan molekul dan sebagainya.

Sumber: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/xrayc.html
Teknologi-teknologi yang telah tersedia dipakai kini kebanyakannya mengambilkira kesan kuantum pada peringkat pukal. Antaranya adalah mikroskop elektron yang sudah diguna berleluasa dalam penyelidikan sains hari ini dan ia sebenarnya bersandarkan sifat kuantum serakan berbilang elektron. Oleh yang demikian ciri yang terhasil adalah bukan kesan terus sifat kuantum zarah tunggal. Pada sekitar 70-an, sudah mula ada teknologi untuk menghasilkan foton tunggal dan seterusnya memanipulasi foton tersebut. Bukan itu sahaja, pada penghujung 80-an, sudah ada kebolehan teknologi untuk memanipulasi atom tunggal (lihat video manipulasi atom tunggal di bawah). Pada dekad yang sama juga, peranti transistor elektron tunggal telah pun dibangunkan. Kini, topik-topik seperti bintik kuantum, wayar kuantum dan perigi kuantum sudah menjadi bidang kajian fizik kuantum konvensional. Kemajuan teknologi sedemikian telah menyediakan platform untuk Revolusi Kuantum Kedua iaitu penggunaan teknologi memanipulasi sistem fizik pada peringkat kuanta tunggal.


 


Revolusi Kuantum Kedua dan Teknologi Kuantum

 Era revolusi kuantum kedua adalah era pembangunan teknologi kuantum. Lazimnya teknologi kuantum ini dibahagi kepada tiga kategori:
  • Penderiaan dan Metrologi Kuantum
  • Komunikasi Kuantum
  • Pengkomputeran dan Simulasi Kuantum
Kategori pertama merupakan kesinambungan teknologi peralatan kuantum (seperti mikroskop elektron sebelum ini) yang telah sedia ada. Antara yang berkait rapat dengan teknologi internet ialah jam atom yang telah dipakai untuk standard masa. Jam atom yang dijamin kejituan kuantumnya membolehkan kelajuan capaian internet diperolehi dengan pelarasan denyutan jam merentangi rangkaian internet. Lain-lain peralatan kuantum yang turut ditonjolkan adalah gravimeter (berguna untuk eksplorasi minyak), unit gerakan inersia kuantum (untuk pelayaran atau pandu arah), magnetometri dan magnetoensefalografi.

Kategori kedua pula adalah sekitar teknologi penggunaan foton tunggal. Foton boleh berada dalam dwi-keadaan pengutuban (lihat rajah di bawah) dan sesuai berperanan sebagai satu unit maklumat kuantum yang dipanggil qubit (menggantikan bit dalam konteks teknologi maklumat biasa). Tidak seperti bit yang lazimnya di tulis dalam bentuk binari 0 dan 1, qubit boleh mengambil keadaan superposisi 0 dan 1, diwakili oleh superposisi dua keadaan pengutuban foton (sepertimana superposisi gelombang). Juga, foton akan sentiasa merambat (laju c dalam vakum) atau termusnah (diserap), dan dengan itu foton dipanggil sebagai qubit terbang (flying qubits), sesuai untuk diguna dalam komunikasi kuantum.

Sumber: https://en.wikipedia.org/wiki/Photon_polarization
By E-karimi - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16697550


Teknologi terpenting komunikasi kuantum adalah Pengagihan Kunci Kuantum (Quantum Key Distribution - QKD). Dalam teknologi komunikasi hari ini, sekuriti maklumat dijamin melalui kerumitan masalah matematik seperti pemfaktoran integer besar. Sekiranya masalah ini dapat dirungkai dengan mudah, maka sekuriti maklumat akan terjejas. Pengagihan Kunci Kuantum dapat menyelesaikan masalah ini dengan menjamin keselamatan maklumat berdasarkan hukum fizik kuantum. Sebarang pencerobohan maklumat dalam konteks ini perlu melanggar hukum fizik tersebut yang diketahui mustahil dan dengan itu dikatakan jaminan keselamatan maklumat muktamad. Hukum fizik kuantum yang dimaksudkan di sini adalah sensitifnya keadaan kuantum yang dibawa oleh foton. Sebarang pencerobohan dapat dikesan dengan mudah dan maklumat yang dicerobohi dapat dibuang segera. Sifat yang sama ini juga membataskan penggunaan pengagihan kunci kuantum secara praktikal. Selain daripada itu, ia memerlukan instrumentasi yang lebih mahal. Kebanyakan penyelidikan kunci kuantum hari ini adalah tertumpu kepada aspek praktikal dan penentuan sekuriti secara praktis.

Kategori ketiga merupakan kategori yang paling sukar direalisasi. Jika berjaya, pengkomputeran kuantum mampu merubah landskap teknologi maklumat dan komunikasi sepertimana teknologi komputer dan komunikasi telah merubah kehidupan kita hari ini. Sama seperti dalam komunikasi kuantum, unit maklumat dalam pengkomputeran kuantum adalah qubit dan algoritma yang memanipulasikan qubit dipanggil algoritma kuantum. Satu algoritma kuantum yang mempopularkan bidang pengkomputeran kuantum ialah algoritma pemfaktoran Shor. Sebelum ini, kita telah sebut tentang masalah pemfaktoran integer besar sebagai masalah sukar dan ia diguna untuk menjamin sekuriti maklumat. Penemuan Peter Shor merubah kepercayaan ini dengan menjadikan masalah pemfaktoran diselesaikan dengan mudah secara kuantum. Dalam ertikata lain, sebuah komputer kuantum yang menjalankan algoritma Shor, boleh menjejaskan sekuriti maklumat (contoh transaksi kewangan elektronik) yang dihantar melalui internet. Sudah tentu perkara ini membimbangkan pelbagai pihak dan akibatnya ada perlumbaan untuk membangunkan komputer kuantum di negara-negara maju. Namun secara realiti, komputer kuantum yang dibangunkan setakat ini masih pada tahap pembuktian prinsip dan hanya menyelesaikan kes masalah mudah. Meningkatkan penskalaan komputer kuantum adalah masalah kejuruteraan yang sangat rumit sehingga ada segelintir para saintis tidak percaya bahawa komputer kuantum sedemikian dapat dibina.

Peter Shor, pemenang Micius Quantum Prize 2018
Sumber: http://news.mit.edu/2019/mit-professor-peter-shor-wins-micius-quantum-prize-0426
Kesukaran pembangunan komputer kuantum ini tidak menghalang para penyelidik  untuk meneruskan usaha pengkomputeran kuantum. Lewat tahun lepas, syarikat Google telah berjaya mendemonstrasikan kehandalan kuantum (quantum supremacy) dengan cip komputer kuantum, Sycamore. Dikatakan komputer ini dapat menjalankan suatu komputasi yang akan mengambil komputer biasa ribuan tahun, dalam hanya beberapa minit. Kejayaan ini (walaupun disanggah oleh IBM pesaing mereka) memberi suatu harapan baharu kepada dunia pengkomputeran kuantum.

Cip Sycamore
(Sumber: https://www.sciencenews.org/article/google-quantum-supremacy-claim-controversy-top-science-stories-2019-yir)
Para teknologis menjangkakan akan ada dua jenis pengkomputeran kuantum yang (bakal) dibangunkan iaitu komputer kuantum bermatlamat khas (jangka masa sederhana) dan komputer kuantum universal (jangka panjang). Jenis pertama, mungkin bersifat prototaip atau dalam bentuk simulator kuantum; menggunakan sistem kuantum terekabentuk (engineered) untuk simulasi sistem kuantum yang lebih kompleks. Simulator kuantum ini lebih dekat dengan cadangan asal Feynman dan dianggap lebih membantu masalah saintifik. Manakala jenis kedua adalah menggambarkan sebuah komputer yang dapat menjalankan pelbagai jenis algoritma tanpa tujuan tertentu. Kerumitan yang dihadapi dapat dikelaskan kepada dua iaitu perkakasan dan algoritma. Dari segi perkakasan kuantum, terdapat beberapa jenis teknologi yang bersaing untuk pembangunan komputer kuantum. Yang dibina oleh Google di atas (dan juga IBM) adalah berasaskan teknologi superkonduktor. Dari sudut algoritma, algoritma kuantum yang ada, masih sedikit dan strukturnya masih kurang difahami. Kemajuan dalam memahami algoritma kuantum akan dapat membantu merealisasi matlamat jangka panjang komputer kuantum universal. Terkini, kumpulan pengkomputeran kuantum Cambridge dan Oxford berjaya membuat simulasi pemprosesan bahasa alamiah (natural language processing) pada komputer kuantum, menjangkaui aspek komputasi yang lazim. Satu lagi kejayaan.


Penyelidikan Antarabangsa dan Tempatan

Penyelidikan teknologi kuantum kini rancak dijalankan di seluruh dunia. Di negara maju, inisiatif atau program kebangsaan telah dibentuk supaya negara masing-masing kekal berada di sempadan hadapan teknologi ini (lihat https://iopscience.iop.org/journal/2058-9565/page/Focus_on_quantum_science_and_technology_initiatives_around_the_world dan https://iopscience.iop.org/issue/2058-9565/4/4). Kebanyakan negara ini menjangkakan perubahan drastik teknologi bersertakan kelebihan kuasa ekonomi dengan adanya kemajuan teknologi kuantum. Di Amerika Syarikat, kelihatan pihak swasta menjuarai penyelidikan teknologi kuantum dengan pengibatan IBM, Google & Microsoft. Kuasa besar yang kini menyaingi Amerika Syarikat adalah China yang berazam untuk menjadi juara teknologi kuantum dunia. Di sini, kerajaan pusat China memainkan peranan utama dalam memajukan teknologi kuantum. Antara yang menarik adalah pelancaran satelit kuantum Micius yang bertujuan mengembangkan rangkaian komunikasi kuantum di peringkat global. Kesatuan Eropah pula mengambil jalan tengah dengan tenaga akademik di universiti masih berperanan utama dan pihak swasta sebagai rakan penyelidikan bersama.

Di Asia Tenggara sendiri, penyelidikan teknologi dijuarai oleh Singapura dengan penubuhan Centre for Quantum Technologies di National University of Singapore pada tahun 2007. Sebenarnya penglibatan Singapura dalam sains dan teknologi kuantum bermula lebih awal lagi iaitu pada sekitar lewat 90-an di atas usahasama Kwek Leong Chuan, Lai Choy Heng, Oh Choo Hiap dan Kuldip Singh. Trajektori penyelidikan mereka bermula dengan aspek teori kemudian diikuti dengan eksperimen komunikasi kuantum apabila NUS merekrut ahli eksperimen seperti Christian Kurtsiefer dan Antia Lamas Linares, Seterusnya aspek sains komputer dan eksperimen atom sejuk turut diceburi oleh Singapura. Selain Singapura, akhir-akhir ini,Thailand juga telah melatih saintis mereka dalam bidang teknologi kuantum dan kini mempunyai tenaga kerja kritikal untuk meneruskan penyelidikan sains kuantum di negara mereka sendiri. Begitu juga Indonesia sudah menandatangani memorandum persefahaman dengan pihak Singapura untuk mengembangkan rangkaian komunikasi kuantum.

Bagaimana pula Malaysia? Malaysia juga tidak ketinggalan menyertai penyelidikan teknologi kuantum. Pada sekitar awal abad ke-21, pihak MIMOS bersama UIAM telah menjalankan aktiviti mengenai eksperimen pengagihan kunci kuantum (QKD) melalui udara serta terlibat dalam kerjasama mengenai polisi dan standard QKD (sila lihat teks jurnal di bawah). Pada rancangan Malaysia ke-10, MIMOS telah beralih arah ke teknologi sensor dalam sektor pertanian dan kesihatan dan penyelidikan kriptografi kuantum hanya disambung oleh penyelidik UIAM, khususnya dalam bentuk teori.
Sumber: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/11/5/055051
Di UPM sendiri, penyelidikan kuantum tertumpu hanya kepada aspek teori khususnya dalam asas matematik teori kuantum. Antara yang berkaitan dengan teori maklumat kuantum adalah mengenai kontekstualiti dan keterbelitan (entanglement). Kedua-dua konsep ini sering timbul dalam penyelidikan komunikasi kuantum dan pengkomputeran kuantum sebagai suatu sumber pemprosesan maklumat kuantum. Setakat ini, tiada lagi penyelidikan berbentuk eksperimen teknologi kuantum dijalankan di Malaysia dan ini merupakan suatu kekangan untuk akses teknologi kuantum dan menyertai perlumbaan di peringkat dunia. Beberapa pertimbangan faktor perlu dibuat untuk sebarang cubaan memasuki aspek eksperimen teknologi kuantum. Pertama, teknologi manakah yang dapat dicapai secara realistik iaitu yang jurang teknologinya tidak begitu besar. Kedua adalah kesediaan para penyelidik eksperimen untuk melalui risiko dalam sesuatu yang baharu. Ketiga adalah peluang akses kepada pengetahuan tersirat pakar antarabangsa. Keempat adalah mendapatkan pembiayaan eksperimen tersebut.

Pada akhir tahun 2019, suatu perbincangan antara penyelidik kumpulan optik UPM, pengurusan INSPEM dan juga pakar-pakar dari Singapura telah diadakan. Perancangan telah dibuat untuk UPM menceburi teknologi komunikasi kuantum khususnya dalam sumber foton tunggal, rangkaian komunikasi kuantum dan kriptografi kuantum pelbagai pengguna. Pemilihan bidang dibuat berdasarkan kepentingan memindahkan teknologi kuantum untuk menjamin sekuriti maklumat negara serta mengambilkira kepakaran fotonik yang sedia ada. Besar harapan kami agar perancangan ini dapat direalisasikan dalam Rancangan Malaysia ke-12 bagi kesediaan negara menghadapi era teknologi kuantum.




Rujukan
Posted by at No comments: