9.3.25

Meraikan Tahun Sains & Teknologi Quantum

Catatan awal: Saya kembali menggunakan perkataan quantum (sebagai ganti kuantum) supaya istilah qubit (dan bukan kubit) kekal. Penggunaan dibuat khas untuk istilah saintifik khusus quantum sahaja; bagi istilah lain seperti quality, kita kekalkan dengan penggunaan kualiti (dengan huruf k).

Tahun 2025 telah diisytiharkan sebagai Tahun Antarabangsa Sains dan Teknologi Quantum (International Year of Quantum Science & Technology). Kenapa tahun 2025 dipilih sedemikian? Tahun 2025 merupakan ulang tahun ke-100 bagi tiga kertas kerja awal formulasi mekanik quantum lengkap oleh Heisenberg, Born dan Jordan (boleh baca perbincangan di sini). Formulasi mekanik quantum mereka kadangkala dipanggil mekanik matriks kerana muncul matriks tak terhingga dalam formulasi ini. Juga pada tahun 1925, Dirac menerbitkan kertas kerja yang menjadi asas kepada proses pengquantuman sebagai asas pembinaan mekanik quantum. Pada tahun berikutnya (1926), Schroedinger mengemukakan formulasi alternatif mekanik gelombangnya (boleh baca di sini). Pada tahun yang sama, Schroedinger menunjukkan kesetaraan kedua formalisme mekanik quantum ini (boleh baca di sini).

Dengan wujudnya formalisme mekanik quantum, banyak fenomena fizik dapat dijelaskan atay diperihal pada peringkat mikroskopik (atom dan molekul). Dapat dikatakan mekanik quantum atau lebih umum, teori quantum merupakan teori yang sangat berjaya samada membangunkan asas mikroskopik atau menemukan teknik atau fenomena baharu. Antara kejayaan mekanik quantum ialah membangunkan pelbagai jenis spektroskopi yang mencirikan jirim, memerihalkan pengkonduksian dalam logam, semikonduktor dan insulator (menjadi asas peranti elektronik) serta penjanaan laser dan seterusnya membawa kemajuan pelbagai jenis teknologi. Bukan setakat itu sahaja, mekanik quantum menjadi asas kepada pembangunan teori peringkat subatom seperti fizik nuklear dan fizik zarah, melalui teori medan quantum. Secara umum, mekanik quantum dikatakan dapat memerihal (hampir) semua fenomena fizik peringkat mikroskopik. Oleh yang demikian, tidak salah dikatakan penemuan mekanik quantum pada tahun 1925 merupakan revolusi quantum pertama.

Jika ada revolusi pertama, wujudkah revolusi quantum kedua? Istilah Revolusi Quantum Kedua mula diutarakan oleh Dowling dan Milburn dalam kertas kerja mereka pada tahun 2002. Apakah yang berlaku sejak revolusi 1925? Kemajuan teknologi telah membolehkan manipulasi fenomena fizik yang pada asalnya berasaskan entiti fizikal yang bersifat pukal hinggalah ke peringkat dimensi yang sangat kecil atau dalam keadaan yang ekstrim (seperti superkonduktor). Sebagai contoh, dimensi objek dalam nanoteknologi sudah pun berada dalam skala 100nm (sekitar 1000 atom). Dalam lewat 80-an, sudah ada pun teknologi memanipulasi atom tunggal. Lebih awal lagi adalah teknologi foton tunggal iaitu sekitar pertengahan 70-an. Dengan kemajuan sedemikian, tidak hairan eksperimen yang memanipulasi kesan quantum secara terus dapat dilakukan dan seterusnya membangun teknologi quantum. 

Perkembangan lain yang membawa kepada revolusi quantum kedua adalah penyatuan sains dan teknologi maklumat (information science & technology) dengan teknologi quantum. Jika teori maklumat klasik melibatkan pemprosesan bit (maklumat yang dapat dikod menggunakan digit 0 dan 1), dalam teknologi quantum dapat direalisasikan dengan entiti qubit. Di samping pengkodan asas kepada 'digit' (keadaan asas quantum) 0 dan 1, sistem quantum membenarkan superposisi antara 0 dan 1. Secara keseluruhan, ruang manipulasi maklumat yang mungkin dapat dicirikan dengan kontinum nombor kompleks. Walaupun demikian, proses pengukuran melibatkan pengunjuran kepada maklumat asas setara dalam bentuk kebarangkalian. Sifat-sifat ini menyebabkan ciri teori maklumat quantum sangat berbeza daripada teori maklumat klasik.

Sepertimana teori maklumat klasik mempunyai hubungan rapat dengan pengkomputeran, teori maklumat quantum membuka jalan kepada konsep pengkomputeran quantum. Antara saranan awal pengkomputeran quantum dapat dibangunkan adalah dari Feynman sendiri. Dalam suatu makalah, Feynman, komputer quantum dapat membantu membuat simulasi sistem quantum. Tetapi komputer quantum boleh mempunyai aplikasi melampaui simulasi sistem quantum seperti yang digambarkan oleh Feynman. Pada tahun 1994, Peter Shor bangunkan suatu algoritma efisien penyelesaian pemfaktoran nombor perdana yang melibatkan ciri superposisi quantum. Masalah pemfaktoran nombor perdana bagi nombor besar diketahui sukar sehingga menjadi asas kriptosistem RSA. Memandangkan algoritma ini bukan suatu yang berasalkan masalah sistem quantum dan ia mempunyai kegunaan meluas dalam sains komputer, perkembangan ini mencetus minat ramai saintis untuk memajukan lebih lanjut bidang algoritma quantum (lihat tinjauan umum di sini). Secara tidak langsung, perkembangan ini memulakan perlumbaan membangunkan komputer quantum fizikal yang boleh menjalankan algoritma quantum.


Pembangunan teknologi komputer quantum bukanlah suatu yang mudah kerana memerlukan berbilang komponen sistem quantum yang begitu sensitif dengan hingar persekitaran. Sebagai tambahan, seperti yang tersebut sebelum ini, output komputer quantum melibatkan pengukuran berkebarangkalian hasilnya. Cabaran terbesar adalah memastikan pengkomputeran yang dijalankan oleh komputer quantum adalah seperti apa yang disasarkan, bebas kesilapan (fault tolerant). Sepertimana pengkomputeran lazim yang memerlukan kod pembetulan ralat, begitu juga komputer quantum. Lebih kritikal, jenis ralat bagi qubit adalah lebih besar (melibatkan fasa relatif) berbanding bit klasik. Dengan itu, bilangan qubit fizikal perlu diganda dengan lebih banyak bagi mewakili qubit logik yang diperlukan untuk menjalankan algoritma quantum yang dikehendaki. Sebagai contoh, menurut Gidney & Makera, bagi menjalankan algoritma Shor bagi memfaktorkan integer RSA 2048-bit, ia memerlukan sebanyak 20 juta qubit fizikal berhingar. Sudah tentu realisasi sistem qubit sedemikian memerlukan usaha kejuruteraan yang mengagumkan.

Selain masalah kejuruteraan membangunkan komputer quantum, apakah sebenarnya aspek algoritma quantum yang memberi kelebihan atau faedah quantum (quantum advantage) itu sendiri masih belum difahami sebenarnya. Sebarang kemajuan dalam pembangunan algoritma quantum turut diekori dengan kemajuan dalam algoritma pengkomputeran lazim (lihat di sini). Jadi perbandingan pengkomputeran quantum dengan yang lazim tidaklah semudah yang disangka. Malah, kini dalam sains komputer, sudah wujud bidang algoritma berinspirasikan quantum yang menunjukkan impak bidang pengkomputeran quantum.

Jadi apakah peranan kita dalam meraikan Tahun Antarabangsa Sains dan Teknologi Quantum di sini. Lazimnya, kita cuba tonjolkan usaha negara kita dalam membentuk sains & teknologi quantum. Lebih penting lagi adalah apa yang kita perlu buat untuk masa depan sains & teknologi quantum di negara kita. Sudah tentu kita juga tidak mahu ketinggalan dalam bidang ini. Jika kita ambil sahaja kertas kerja Shor sebagai titik tolak revolusi quantum ke-2, ilmu pengkomputeran quantum sudah pun bertapak lebih tiga puluh tahun; secara tidak langsung menunjukkan usaha di Malaysia agak lewat. Lebih lama lagi penemuan mekanik quantum itu sendiri sudah sampai seratus tahun tapi ekosistem penyelidikan quantum hanya mula segar hanya satu atau dua dekad berbanding daengan bidang sains fizikal yang lain. Usaha berterusan perlu ada untuk mengekalkan penyelidikan sains dan teknologi quantum yang lebih stabil. Pernah seorang profesor dari negara jiran menyebut bahawa (ketika itu) kita sudah pun ada kepakaran di universiti tempatan masing-masing bekerja secara berasingan. Sudah sampai masanya kepakaran yang ada ini, bekerjasama dalam apa cara yang boleh. Alhamdulillah, kini sudah ada MyQI yang mengambil cabaran ini dan mamjukan sains & teknologi quantum di Malaysia. Syabas!

Rujukan: 

Posted by at

No comments:

Post a Comment