Hybrid Quantum Computing: Pengertian & Contoh Penerapannya

Computing quantum telah menjadi salah satu bidang penelitian yang paling menarik dalam dunia teknologi. Sejak diperkenalkan pada 1980-an, konsep ini terus berkembang dengan pesat, didorong oleh potensi luar biasa dalam menyelesaikan masalah yang sulit dipecahkan oleh komputer klasik. 

Dalam satu dekade terakhir, perusahaan-perusahaan besar serta startup mulai berlomba-lomba untuk menghadirkan teknologi ini ke dunia nyata, membuka peluang baru dalam berbagai bidang, mulai dari optimasi hingga penemuan obat baru.

Namun, mengingat keterbatasan teknologi kuantum saat ini, pendekatan hybrid quantum computing menjadi solusi yang menjanjikan. Dengan menggabungkan komputasi klasik dan kuantum, sistem hybrid ini memungkinkan pemrosesan yang lebih efisien dan fleksibel. Artikel ini akan membahas secara mendalam tentang pengertian hybrid quantum computing, arsitektur yang digunakan, serta perkembangan terkini dalam teknologi ini.

Apa Itu Hybrid Quantum Computing?

Hybrid quantum computing adalah pendekatan yang menggabungkan komputasi klasik dan kuantum, memungkinkan kedua sistem bekerja bersama untuk menyelesaikan suatu masalah. Dalam sistem ini, komputer klasik bertindak sebagai pengontrol utama, menangani tugas-tugas seperti:

1. Menetapkan gerbang kuantum
2. Mengelola konfigurasi komputer kuantum
3. Mengatur pengiriman tugas
4. Memproses hasil dari komputer kuantum

Saat ini, perusahaan seperti Microsoft Quantum telah mengembangkan arsitektur integrated hybrid quantum computing, yang memungkinkan pengembang untuk menggabungkan instruksi pemrograman klasik dan kuantum dalam satu aplikasi. Dengan pendekatan ini, sirkuit kuantum dapat disesuaikan saat qubit (unit dasar komputasi kuantum) masih dalam kondisi koheren, sehingga meningkatkan efisiensi dan akurasi pemrosesan.

Arsitektur Hybrid Quantum Computing

Dikutip dari laman Microsoft, dalam pengembangan hybrid quantum computing dibagi menjadi 4 tahap untuk mendefinisikan berbagai tingkat kecanggihannya. Berikut adalah empat arsitektur utama yang digunakan:

1. Batch Quantum Computing (Komputasi Kuantum Batch)
   Pada model ini, komputer klasik digunakan untuk mendefinisikan sirkuit kuantum, yang kemudian dikirim sebagai tugas ke Quantum Processing Unit (QPU). Setelah diproses, hasilnya dikembalikan ke klien.

   Keuntungan dari pendekatan ini adalah pengurangan waktu tunggu antara pengiriman tugas ke QPU, sehingga eksekusi program dapat berlangsung lebih cepat. Contoh aplikasi yang cocok untuk pendekatan ini meliputi:

   • Algoritma Shor (digunakan untuk faktorisasi bilangan besar)
   • Estimasi fase kuantum sederhana
2. Interactive Quantum Computing (Komputasi Kuantum Interaktif)
   Dalam model ini, sumber daya komputasi klien dipindahkan ke cloud, yang mengurangi latensi antara klien dan QPU. Hal ini memungkinkan sirkuit kuantum dieksekusi ulang dengan parameter yang berbeda dalam satu sesi, meningkatkan efisiensi pemrosesan.

   Meskipun pendekatan ini lebih fleksibel, status qubit tidak bertahan di antara tugas yang berbeda. Beberapa aplikasi yang dapat memanfaatkan metode ini adalah:

   • Variational Quantum Eigensolver (VQE): Digunakan dalam pemodelan molekuler
   • Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA): Digunakan dalam optimasi kombinatorial
3. Integrated Quantum Computing (Komputasi Kuantum Terintegrasi)
   Pada tahap ini, komputasi klasik dan kuantum terhubung erat, sehingga pemrosesan klasik dapat dilakukan sementara qubit tetap dalam keadaan koheren.

   Meskipun masih memiliki keterbatasan, pendekatan ini memungkinkan program kuantum untuk lebih dari sekadar menjalankan sirkuit kuantum sederhana. Beberapa fitur utama yang dapat digunakan dalam model ini adalah:

   • Melakukan pengukuran mid-circuit
   • Mengoptimalkan dan menggunakan kembali qubit
   • Menyesuaikan sirkuit secara real-time

   Contoh aplikasi yang memanfaatkan pendekatan ini:

   • Estimasi fase adaptif
   • Machine learning berbasis kuantum
4. Distributed Quantum Computing (Komputasi Kuantum Terdistribusi)
   Model ini merupakan bentuk komputasi kuantum paling canggih, yang akan menjadi kenyataan ketika komputer kuantum berskala besar telah tersedia dengan:
   
   • Koreksi kesalahan yang kuat
   • Qubit logis dengan ketahanan lebih tinggi terhadap kesalahan
   • Waktu koherensi qubit yang panjang
   
   Dalam sistem ini, komputasi klasik bekerja berdampingan dengan qubit logis, memungkinkan pemrosesan kuantum yang kompleks dan terdistribusi melalui sumber daya cloud, seperti High-Performance Computing(HPC), AI, dan QPU.
   Aplikasi potensial dari model ini meliputi:
   • Evaluasi reaksi katalitik secara menyeluruh
   • Penemuan obat baru
   • Solusi untuk tantangan global seperti penangkapan karbon

   Teknologi ini diprediksi akan membawa manfaat besar dalam dunia ilmiah dan komersial, membantu menyelesaikan beberapa tantangan paling sulit di dunia.

Bagaimana Cara Kerja Hybrid Quantum Computing?

Hybrid quantum computing bekerja dengan membagi tugas komputasi antara komputer kuantum dan komputer klasik, sesuai dengan keunggulan masing-masing sistem. Dalam skema ini, komputer kuantum berfungsi sebagai koprosesor yang menjalankan bagian-bagian tertentu dari algoritma, sementara komputer klasik menangani tugas-tugas lain yang lebih efisien dilakukan dengan metode tradisional.

Peran Komputer Klasik dan Kuantum

1. Komputer klasik sebagai pengontrol
   
   • Komputer klasik tetap dibutuhkan untuk mengontrol operasi fisik perangkat kuantum, seperti manipulasi qubit dan penerapan gerbang kuantum.
   • Selain itu, komputer klasik memungkinkan akses jarak jauh ke sistem kuantum, memungkinkan pengguna dari berbagai lokasi untuk menjalankan perhitungan kuantum melalui cloud.
2. Pembagian tugas komputasi
   
   • Tugas yang cocok untuk komputer klasik:
     
     • Pra-pemrosesan data sebelum dikirim ke komputer kuantum.
     • Kompilasi dan optimasi algoritma sebelum dieksekusi dalam sistem kuantum.
     • Interpretasi hasil perhitungan kuantum.
   • Tugas yang cocok untuk komputer kuantum:
     
     • Menjalankan algoritma kuantum seperti Variational Quantum Eigensolver (VQE) untuk simulasi kimia atau Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) untuk masalah optimasi kompleks.
3. Integrasi dengan High-Performance Computing (HPC)
   
   • Dalam beberapa pendekatan, hybrid quantum computing juga memanfaatkan High-Performance Computing (HPC) untuk mempercepat tugas-tugas tertentu, seperti mitigasi kesalahan dalam hasil perhitungan kuantum.

Pendekatan hybrid ini memungkinkan pemanfaatan komputer kuantum yang masih terbatas tanpa harus menunggu teknologi kuantum berkembang hingga mencapai kesempurnaan.

Apa Manfaat dari Hybrid Quantum Computing?

Hybrid quantum computing membawa banyak keuntungan, terutama dalam meningkatkan efisiensi pemrosesan data dan mengoptimalkan penggunaan sumber daya kuantum yang masih terbatas. Berikut adalah beberapa manfaat utama dari pendekatan ini:

1. Memanfaatkan Kekuatan Masing-Masing Sistem
   Komputer kuantum dan klasik memiliki keunggulan yang berbeda. Dengan membagi tugas sesuai keunggulan masing-masing, hybrid quantum computing dapat menyelesaikan masalah lebih cepat dan lebih efisien dibandingkan jika hanya menggunakan salah satu jenis sistem.
2. Menjalankan Algoritma Kuantum dengan Sumber Daya yang Ada
   Saat ini, komputer kuantum masih memiliki banyak keterbatasan, seperti jumlah qubit yang terbatas dan tingkat kesalahan yang tinggi. Algoritma hibrida memungkinkan pemanfaatan komputer kuantum dalam bentuk yang ada sekarang, tanpa perlu menunggu sistem yang benar-benar bebas dari kesalahan.
3. Efisiensi dalam Pemrosesan Data
   Pendekatan hybrid sangat berguna untuk algoritma kuantum Variational, seperti:
   
   • Variational Quantum Eigensolver (VQE): Digunakan untuk simulasi molekuler dan penelitian material.
   • Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA): Berguna dalam pemecahan masalah optimasi yang kompleks, seperti perencanaan logistik dan penjadwalan.
   Dalam algoritma seperti VQE dan QAOA, komputer kuantum digunakan untuk bagian perhitungan inti, sementara komputer klasik menangani optimasi parameter, sehingga hasil akhirnya lebih akurat dan efisien.
4. Akselerasi Riset dan Inovasi
   Hybrid quantum computing dapat diterapkan di berbagai bidang, seperti:
   
   • Industri farmasi: Mempercepat simulasi molekul untuk penemuan obat.
   • Material science: Membantu penelitian material baru dengan simulasi kuantum.
   • Keuangan: Mengoptimalkan strategi investasi dan manajemen risiko.
   Pendekatan ini membuka peluang bagi perusahaan dan akademisi untuk mengeksplorasi potensi komputasi kuantum lebih awal, sebelum teknologi kuantum mencapai kematangan penuh.

Apa Tantangan dalam Mengimplementasikan Hybrid Quantum Computing?

Meskipun menjanjikan, hybrid quantum computing masih menghadapi sejumlah tantangan dalam implementasinya. Beberapa di antaranya adalah:

1. Desain Arsitektur yang Kompatibel
   Menghubungkan komputer kuantum dengan sistem klasik bukanlah hal yang mudah. Perbedaan mendasar dalam cara kedua sistem bekerja membuat desain arsitektur menjadi tantangan besar.
   
   • Komputer klasik menggunakan biner (0 dan 1), sementara komputer kuantum bekerja dengan qubit yang dapat berada dalam superposisi.
   • Diperlukan algoritma khusus untuk mengonversi data antara kedua sistem dengan efisien.
2. Kesesuaian Perangkat Keras dan Perangkat Lunak
   
   • Tidak semua perangkat keras klasik dapat terintegrasi dengan komputer kuantum.
   • Diperlukan pengembangan perangkat lunak khusus yang dapat mengatur komunikasi antara sistem klasik dan kuantum dengan latensi minimal.
3. Manajemen Sumber Daya
   Pemrosesan data dalam hybrid quantum computing memerlukan alokasi sumber daya yang efisien. Tantangan utama dalam hal ini adalah:
   
   • Menentukan bagian mana dari algoritma yang harus dijalankan di komputer kuantum dan mana yang lebih baik tetap di komputer klasik.
   • Mengoptimalkan waktu akses ke komputer kuantum, mengingat biaya penggunaan komputer kuantum masih tinggi.
4. Inovasi dan Kolaborasi Diperlukan
   Untuk mengatasi tantangan di atas, dibutuhkan kerja sama antara akademisi, industri, dan lembaga pemerintah. Beberapa langkah yang dapat diambil antara lain:
   
   • Pengembangan perangkat keras dan perangkat lunak baru yang lebih kompatibel.
   • Peningkatan efisiensi algoritma hibrida untuk meminimalkan kesalahan.
   
   Investasi dalam riset dan pengembangan komputasi kuantum, baik di tingkat akademik maupun industri.

Contoh Aplikasi Hybrid Quantum Computing di Industri

Komputasi kuantum tidak lagi hanya sebatas eksperimen laboratorium, sejumlah industri sudah mulai menerapkannya untuk menangani masalah nyata. Berikut adalah beberapa contoh penerapan hybrid quantum computing dalam berbagai sektor.

1. Quantum Mobility Quest oleh Airbus dan BMW Group
   Airbus dan BMW Group meluncurkan Quantum Mobility Quest, sebuah inisiatif inovatif yang bertujuan untuk merevolusi sektor transportasi dengan memanfaatkan teknologi kuantum. Proyek ini dirancang untuk menyelesaikan berbagai permasalahan industri penerbangan dan otomotif.
   Dalam tantangan ini, peserta diundang untuk menyelesaikan salah satu dari lima pernyataan masalah yang diajukan oleh Airbus dan BMW. Tim terbaik akan diumumkan pada akhir tahun ini.
2. Airbus: Simulasi Reaksi Kimia untuk Energi Hidrogen
   Airbus, bersama BMW Group dan Quantinuum, menggunakan komputasi kuantum untuk mensimulasikan reaksi reduksi oksigen pada katalis berbasis platinum. Reaksi ini sangat penting dalam sel bahan bakar yang mengubah hidrogen dan oksigen menjadi listrik dan air.
   Dengan memahami reaksi ini secara lebih mendalam, para peneliti berharap dapat mengembangkan material alternatif yang lebih efisien dan mengurangi biaya produksi sel bahan bakar. Hal ini menjadi langkah penting dalam mendorong penggunaan energi hidrogen berkelanjutan di industri penerbangan.
3. Thales Group: Optimasi Misi Satelit
   Thales Group, bekerja sama dengan Terra Quantum, menerapkan hybrid quantum computing untuk mengoptimalkan perencanaan misi satelit. Mereka menggunakan metode pembelajaran penguatan berbasis kuantum untuk meningkatkan efisiensi operasional satelit.
   Menurut laporan dari The Quantum Insider, model yang dikembangkan oleh Terra Quantum dan Thales Group berpotensi menghasilkan nilai ekonomi sekitar EUR 22.500 per satelit per hari. Ini menunjukkan betapa besar dampak teknologi kuantum dalam industri luar angkasa.

Mengapa Hybrid Quantum Computing Sangat Penting?

Pendekatan hybrid ini memiliki beberapa keunggulan utama:

1. Mengoptimalkan sumber daya kuantum dan klasik
   Komputer klasik tetap digunakan untuk tugas yang tidak membutuhkan keunggulan kuantum, sementara komputer kuantum dipakai untuk pemrosesan spesifik yang sulit dilakukan oleh sistem klasik.
2. Mempercepat perkembangan teknologi kuantum
   Dengan mengandalkan sistem hibrida, industri dapat mulai merasakan manfaat komputasi kuantum sebelum sistem kuantum mandiri sepenuhnya matang.
3. Menurunkan kesalahan dalam perhitungan kuantum
   Koreksi kesalahan dalam sistem kuantum masih menjadi tantangan besar. Dengan pendekatan hybrid, kesalahan dapat diminimalkan dengan bantuan sistem klasik.
4. Meningkatkan efisiensi di berbagai sektor industri
   Mulai dari transportasi, energi, luar angkasa, hingga manufaktur, hybrid quantum computing dapat menyelesaikan permasalahan yang sebelumnya sulit ditangani oleh sistem klasik.

Kesimpulan

Hybrid Quantum Computing merupakan pendekatan inovatif yang menggabungkan kekuatan komputasi klasik dan kuantum untuk meningkatkan efisiensi dan fleksibilitas pemrosesan data. Dengan komputer klasik bertindak sebagai pengontrol utama dan komputer kuantum menangani perhitungan kompleks, pendekatan ini memungkinkan pemanfaatan teknologi kuantum yang masih berkembang tanpa harus menunggu kesempurnaan sistem kuantum sepenuhnya.

Terdapat empat arsitektur utama dalam Hybrid Quantum Computing, yaitu Batch Quantum Computing, Interactive Quantum Computing, Integrated Quantum Computing, dan Distributed Quantum Computing. Masing-masing model menawarkan tingkat integrasi yang berbeda antara komputasi klasik dan kuantum, dengan tujuan mengoptimalkan pemrosesan data dan mengatasi keterbatasan komputer kuantum saat ini.

Manfaat utama dari Hybrid Quantum Computing meliputi peningkatan efisiensi pemrosesan data, pemanfaatan sumber daya kuantum yang masih terbatas, serta akselerasi riset dan inovasi dalam berbagai bidang seperti farmasi, keuangan, dan sains material. Namun, tantangan dalam implementasinya tetap besar, termasuk desain arsitektur yang kompatibel, kesesuaian perangkat keras dan perangkat lunak, serta manajemen sumber daya yang efisien.

Ke depan, pengembangan teknologi ini akan sangat bergantung pada kolaborasi antara akademisi, industri, dan pemerintah untuk menciptakan solusi yang lebih optimal dan efisien. Dengan kemajuan yang terus berkembang, Hybrid Quantum Computing berpotensi menjadi pilar utama dalam revolusi teknologi masa depan.