Pengantar
Komputer kuantum mendapatkan banyak hype, tetapi sebenarnya kami masih tidak yakin apa gunanya. Perangkat ini memanfaatkan fisika aneh dari dunia subatomik dan memiliki potensi untuk melakukan perhitungan yang tidak bisa dilakukan oleh komputer klasik biasa. Namun terbukti sulit untuk menemukan contoh algoritme apa pun dengan "keunggulan kuantum" yang jelas yang memungkinkan kinerja di luar jangkauan mesin klasik.
Untuk sebagian besar tahun 2010-an, banyak ilmuwan komputer merasa satu kelompok aplikasi tertentu memiliki peluang besar untuk menemukan keunggulan ini. Kalkulasi analisis data tertentu akan menjadi lebih cepat secara eksponensial ketika diolah oleh komputer kuantum.
Kemudian datanglah Ewin Tang. Sebagai lulusan perguruan tinggi berusia 18 tahun pada tahun 2018, dia menemukan cara baru untuk komputer klasik untuk memecahkan masalah ini, menampar keuntungan yang dijanjikan algoritme kuantum. Bagi banyak orang yang bekerja di komputer kuantum, Baupekerjaan adalah sebuah perhitungan. “Satu per satu, kasus penggunaan yang sangat menarik ini baru saja dimatikan,” kata Chris Cade, seorang ilmuwan komputer teoretis di pusat penelitian komputasi kuantum Belanda QuSoft.
Tapi satu algoritma bertahan tanpa cedera: sebuah twist kuantum pada pendekatan matematika ceruk untuk mempelajari "bentuk" data, yang disebut analisis data topologi (TDA). Setelah banyak makalah pada bulan September, para peneliti sekarang percaya bahwa perhitungan TDA ini berada di luar jangkauan komputer klasik, mungkin karena koneksi tersembunyi ke fisika kuantum. Tetapi keunggulan kuantum ini hanya dapat terjadi dalam kondisi yang sangat spesifik, mempertanyakan kepraktisannya.
Seth Lloyd, seorang insinyur mekanika kuantum di Massachusetts Institute of Technology yang ikut menciptakan algoritme TDA kuantum, mengingat asal-usulnya dengan jelas. Dia dan sesama fisikawan Paolo Zanardi menghadiri lokakarya fisika kuantum di sebuah kota yang indah di pegunungan Pyrenees pada tahun 2015. Beberapa hari menjelang konferensi, mereka melewatkan pembicaraan untuk nongkrong di teras hotel ketika mereka mencoba membungkus kepala mereka dengan teknik matematika "abstrak gila". mereka telah mendengar tentang untuk menganalisis data.
Zanardi telah jatuh cinta dengan matematika yang mendasari TDA, yang berakar topologi, cabang matematika yang berkaitan dengan ciri-ciri yang tetap ada ketika bentuk diremas, direntangkan, atau dipelintir. “Ini adalah salah satu cabang matematika yang hanya meresapi segalanya,” kata Vedran Dunjko, seorang peneliti komputasi kuantum di Leiden University. "Itu ada di mana-mana." Salah satu pertanyaan utama lapangan adalah jumlah lubang pada suatu objek, yang disebut nomor Betti.
Topologi dapat melampaui tiga dimensi yang kita kenal, memungkinkan peneliti menghitung angka Betti dalam objek empat, 10, dan bahkan 100 dimensi. Ini menjadikan topologi alat yang menarik untuk menganalisis bentuk kumpulan data besar, yang juga dapat mencakup ratusan dimensi korelasi dan koneksi.
Pengantar
Saat ini, komputer klasik hanya dapat menghitung angka Betti hingga sekitar empat dimensi. Di teras hotel Pyrenean itu, Lloyd dan Zanardi berusaha mendobrak penghalang itu. Setelah sekitar satu minggu berdiskusi dan menulis persamaan, mereka memiliki dasar algoritme kuantum yang dapat memperkirakan angka Betti dalam kumpulan data berdimensi sangat tinggi. Mereka diterbitkan pada tahun 2016, dan para peneliti menyambutnya ke dalam kelompok aplikasi kuantum untuk analisis data yang mereka yakini memiliki keunggulan kuantum yang berarti.
Dalam dua tahun, TDA adalah satu-satunya yang tidak terpengaruh oleh pekerjaan Tang. Sementara Tang mengakui bahwa TDA "benar-benar berbeda dari yang lain", dia dan peneliti lain bertanya-tanya sejauh mana pelariannya mungkin merupakan kebetulan.
Dunjko dan rekan-rekannya memutuskan untuk mengambil kesempatan lain untuk menemukan algoritme klasik untuk TDA yang dapat melumpuhkan keunggulan kuantumnya. Untuk melakukannya, mereka berusaha menerapkan metode Tang pada aplikasi khusus ini, tanpa mengetahui apa yang akan terjadi. “Kami benar-benar tidak yakin. Ada alasan untuk percaya bahwa yang ini mungkin selamat dari 'Tangization,'” kenangnya.
Bertahan hidup. Dalam hasil pertama kali diposting sebagai pracetak pada tahun 2020 dan diterbitkan pada bulan Oktober ini Kuantum, tim Dunjko menunjukkan bahwa kelangsungan hidup TDA bukanlah kebetulan. Untuk menemukan algoritme klasik yang dapat mengimbangi algoritme kuantum, "Anda harus melakukan sesuatu yang berbeda dari sekadar menerapkan [proses] Ewin Tang secara membabi buta ke algoritme Seth Lloyd," kata Cade, salah satu penulis makalah.
Kami tidak tahu pasti bahwa algoritme klasik tidak dapat mengejar TDA, tetapi kami mungkin akan segera mencapainya. “Dari empat langkah yang perlu kita buat untuk membuktikan ini…mungkin kita sudah membuat tiga,” kata Marcos Crichigno, seorang fisikawan teoretis di startup QC Ware. Bukti terbaik sejauh ini berasal dari makalah yang dia posting tahun lalu dengan Cade menunjukkan perhitungan topologi yang serupa tidak dapat diselesaikan secara efisien oleh komputer klasik. Crichigno saat ini bekerja untuk membuktikan hasil yang sama untuk TDA secara khusus.
Crichigno menduga ketahanan TDA menunjuk pada koneksi inheren — dan sama sekali tidak terduga — dengan mekanika kuantum. Tautan ini berasal dari supersimetri, sebuah teori dalam fisika partikel yang mengusulkan simetri yang dalam antara partikel penyusun materi dan partikel yang membawa gaya. Ternyata, seperti yang dijelaskan fisikawan Ed Witten pada 1980-an, alat matematika topologi dapat dengan mudah menggambarkan sistem supersimetri ini. Terinspirasi oleh karya Witten, Crichigno telah membalikkan koneksi ini dengan menggunakan supersimetri untuk mempelajari topologi.
“Itu gila. Itu hubungan yang sangat, sangat, sangat aneh,” kata Dunjko, yang tidak terlibat dalam pekerjaan Crichigno. “Saya merinding. Secara harfiah."
Koneksi kuantum tersembunyi ini mungkin yang membedakan TDA dari yang lain, kata Cade, yang telah bekerja dengan Crichigno dalam hal ini. “Pada intinya, ini adalah masalah mekanika kuantum, meskipun tidak terlihat seperti itu,” katanya.
Tapi sementara TDA tetap menjadi contoh keunggulan kuantum untuk saat ini, penelitian terbaru dari Amazon Layanan web, Google dan laboratorium Lloyd di MIT telah sangat mempersempit kemungkinan skenario di mana keuntungannya paling jelas. Agar algoritme dapat berjalan secara eksponensial lebih cepat daripada teknik klasik — bilah biasa untuk keunggulan kuantum — jumlah lubang dimensi tinggi harus sangat besar, di urutan triliunan. Jika tidak, teknik aproksimasi algoritme tidak akan efisien, menghilangkan peningkatan yang berarti pada komputer klasik.
Itu adalah "seperangkat kondisi yang sulit untuk ditemukan" dalam data dunia nyata, kata Cade, yang tidak terlibat dalam salah satu dari ketiga makalah tersebut. Sulit untuk mengetahui dengan pasti apakah kondisi ini ada, jadi untuk saat ini, kami hanya memiliki intuisi, kata Ryan Babbush, salah satu penulis senior di studi Google, dan baik dia maupun Cade tidak mengharapkan kondisi ini menjadi umum.
Tang, sekarang menjadi mahasiswa doktoral di University of Washington, tidak berpikir TDA adalah aplikasi kuantum praktis yang dicari lapangan, mengingat keterbatasan ini. "Saya pikir bidang secara keseluruhan telah dibentuk kembali" untuk menjauh dari perburuan algoritme, katanya. Dia berharap bahwa komputer kuantum akan sangat berguna untuk mempelajari tentang sistem kuantum itu sendiri, bukan untuk menganalisis data klasik.
Namun para peneliti di balik pekerjaan baru-baru ini tidak melihat TDA sebagai jalan buntu. Selama pertemuan Zoom antara semua tim peneliti setelah pracetak baru-baru ini diluncurkan, "setiap orang dari kami memiliki gagasan tentang apa yang harus dilakukan selanjutnya," kata Dunjko, yang bekerja dengan tim Google. Crichigno, misalnya, berharap bahwa menginterogasi hubungan antara topologi dan mekanika kuantum ini akan menghasilkan lebih banyak masalah kuantum yang tidak terduga yang mungkin cocok untuk perhitungan kuantum.
Selalu ada ancaman pendekatan klasik baru yang kreatif melakukan apa yang Tang dan Dunjko tidak bisa, dan akhirnya menurunkan TDA. “Saya tidak akan mempertaruhkan rumah saya, atau mobil saya, atau kucing saya,” bahwa ini tidak akan terjadi, kata Dunjko. “Tapi ceritanya belum mati. Saya pikir itulah alasan utama mengapa saya tidak khawatir sama sekali.”
