Google’s Willow Chip (Sumber:reversepcb)

Peluncuran Chip Willow Google (Sumber:reversepcb)

Kemajuan teknologi yang pesat telah mengubah komputasi kuantum dari konsep teoritis menjadi kenyataan praktis. Pengungkapan chip kuantum Willow oleh Google pada Desember 2024 telah menarik perhatian luas. Chip ini menandai lonjakan signifikan dalam kemampuan komputasi dan memperkenalkan tantangan potensial bagi sistem enkripsi yang ada. Dalam artikel ini, kita akan menjelajahi prinsip-prinsip komputasi kuantum, mengeksplorasi terobosan teknologi yang diwakili oleh chip Willow milik Google, menguji aplikasi potensialnya, menilai ancaman yang ditimbulkannya terhadap kripto, dan membahas bagaimana industri kripto seharusnya mempersiapkan diri menghadapi tantangan baru ini.

Apa itu Komputasi Kuantum?

Komputasi kuantum adalah pendekatan komputasi inovatif yang didasarkan pada prinsip-prinsip mekanika kuantum, memanfaatkan bit kuantum, atau qubit, untuk melakukan perhitungan. Tidak seperti bit biner klasik, yang mewakili 0 atau 1, qubit dapat eksis secara bersamaan dalam superposisi kedua keadaan dan menunjukkan korelasi rumit melalui belitan kuantum.

Properti unik ini memungkinkan komputer kuantum untuk menyelesaikan masalah tertentu dengan kecepatan yang secara eksponensial lebih cepat. Misalnya, tugas seperti faktorisasi bilangan prima, yang mungkin membutuhkan jutaan tahun bagi komputer tradisional, dapat diselesaikan menggunakan komputasi kuantum dalam hitungan detik atau menit. Kemampuan tersebut memiliki implikasi mendalam bagi kriptografi modern dan komputasi ilmiah, menawarkan peluang dan tantangan.

Mengapa Komputer Kuantum Lebih Cepat daripada Superkomputer?

Keuntungan komputer kuantum berasal dari tiga prinsip inti mekanika kuantum:

1. Superposisi:

   • Sebuah bit kuantum tunggal dapat secara bersamaan berada dalam keadaan 0 dan 1, artinya bahwa 𝑛 bit kuantum dapat mewakili 2^𝑛 keadaan yang mungkin. Hal ini memungkinkan komputasi kuantum untuk mengeksplorasi kemungkinan-kemungkinan secara bersamaan, secara signifikan meningkatkan efisiensi.

2. Entanglement:

   • Belitan kuantum memungkinkan dua bit kuantum memiliki keadaan yang sangat berkorelasi, bahkan jika berjauhan. Fitur ini memungkinkan komputer kuantum untuk berkolaborasi dengan cepat selama operasi multi-qubit, mengurangi latensi.

3. Gangguan:

   • Komputer kuantum dapat memanipulasi fase keadaan kuantum untuk meningkatkan kemungkinan jawaban yang benar sambil mengurangi probabilitas yang salah. Kemampuan ini lebih lanjut meningkatkan kecepatan dan ketepatan perhitungan.

Jika komputasi kuantum dibandingkan dengan proses penyelesaian labirin, CPU tradisional hanya dapat mencoba setiap jalur satu per satu, sementara GPU dapat mengirim ribuan agen ke jalur yang berbeda secara simultan. Namun, komputer kuantum akan seperti memiliki bayangan tak terhitung yang menjelajahi setiap jalur secara simultan hingga menemukan jalan keluar.

Terobosan Teknologi Chip Willow Google

Dua pencapaian paling signifikan dari chip Willow milik Google adalah sebagai berikut:

• Willow dapat secara eksponensial mengurangi kesalahan, memecahkan tantangan kunci dalam koreksi kesalahan kuantum yang telah diperjuangkan selama hampir 30 tahun di bidang ini.
• Willow menyelesaikan komputasi benchmark standar dalam waktu kurang dari lima menit, sebuah tugas yang akan memakan waktu 10 quintillion tahun (1025 tahun) bagi salah satu superkomputer tercepat saat ini—sebuah angka yang jauh melebihi usia alam semesta.

Perkembangan terbaru Google dalam komputasi kuantum berpusat di sekitar chip Willow. Dibandingkan dengan chip Sycamore sebelumnya, chip Willow menampilkan 105 qubit, dua kali lipat dari jumlah Sycamore. Namun, terobosan sebenarnya terletak pada jumlah qubit dan kualitasnya. Waktu kohesi dari qubit Willow, yang dikenal sebagai waktu T1, telah signifikan ditingkatkan, meningkat sekitar lima kali lipat dibandingkan dengan chip sebelumnya. Peningkatan ini memungkinkan qubit untuk menyimpan informasi untuk jangka waktu yang lebih lama, yang tanpa diragukan lagi merupakan faktor kunci dalam menjamin akurasi dan stabilitas, bukan hanya peningkatan skala yang signifikan.

Sebelumnya, masalah inti dengan qubit adalah kerapuhannya. Salah satu tantangan utama dalam komputasi kuantum adalah qubit yang sangat sensitif terhadap gangguan eksternal, yang mengakibatkan tingkat kesalahan yang tinggi (tingkat kesalahan meningkat tajam saat lebih banyak qubit ditambahkan). Chip Willow memperkenalkan teknologi yang dikenal sebagai Koreksi Kesalahan Kode Permukaan, yang menggabungkan qubit fisik menjadi qubit logis yang lebih stabil, mengurangi kemungkinan kesalahan secara signifikan. Hal ini menangani tantangan utama yang belum terpecahkan selama hampir 30 tahun dalam bidang komputasi kuantum.

Chip Willow memanfaatkan qubit logis, yang memungkinkan self-koreksi dan sangat mengurangi tingkat kesalahan. Inti teknologi ini adalah Koreksi Kesalahan Kuantum (QEC).

Julian Kelly, Direktur Perangkat Kuantum Komputasi, Memperkenalkan Willow dan Prestasinya (Sumber:youtube)

Apa itu Koreksi Kesalahan Kuantum?

Quantum Error Correction (QEC) adalah metode yang digunakan untuk mengatasi kesalahan yang terjadi selama pengoperasian komputer kuantum. Karena qubit sangat sensitif — hanya cahaya menyimpang yang dapat menyebabkan kesalahan komputasi — teknik koreksi kesalahan kuantum sangat penting untuk mengurangi tingkat kesalahan.

Tidak seperti komputer tradisional yang menggunakan cek paritas untuk memperbaiki kesalahan, komputer kuantum tidak dapat langsung mengukur keadaan satu qubit untuk mendeteksi kesalahan. Sebaliknya, QEC memanfaatkan beberapa qubit fisik untuk membentuk qubit logis. Bahkan jika beberapa qubit fisik terganggu, sistem masih dapat memulihkan informasi yang benar. Dengan kata lain, informasi tersebar di beberapa qubit, daripada terkonsentrasi dalam satu qubit, sehingga bahkan jika sebagian qubit terganggu, qubit yang tersisa masih dapat memberikan informasi yang cukup untuk memperbaiki kesalahan.

Para peneliti di Google menemukan bahwa dengan memperkenalkan lebih banyak qubit dan melakukan koreksi kesalahan real-time, mereka dapat secara signifikan mengurangi tingkat kesalahan. Mereka menerbitkan terobosan ini dalam edisi terbaru majalah Nature, menggambarkannya sebagai kemajuan "di bawah ambang batas". Ini berarti bahwa ketika jumlah qubit meningkat, tingkat kesalahan dapat menurun secara eksponensial — menandai tonggak utama dalam sejarah komputasi kuantum.

Aplikasi Komputasi Kuantum

Pengembangan Obat dan Ilmu Material

Komputasi kuantum dapat mensimulasikan struktur molekul untuk membantu para peneliti dengan cepat memprediksi interaksi molekuler, sehingga mempercepat penemuan obat dan material baru, seperti:

• Desain Obat: Komputasi kuantum memiliki potensi untuk merevolusi desain obat dengan mensimulasikan proses lipatan protein, secara signifikan mempercepat pengembangan pengobatan kanker atau vaksin. Sebagai contoh, selama pengembangan vaksin COVID-19, komputasi kuantum memainkan peran penting dalam menganalisis struktur protein. Teknologi quantum-inspired dari Fujitsu mampu menyaring triliunan molekul dan mengidentifikasi kandidat obat yang menjanjikan hanya dalam delapan minggu, secara dramatis mengurangi waktu penemuan obat yang tipikal.
• Ilmu Material: Teliti bahan superkonduktor baru atau teknologi baterai generasi berikutnya untuk meningkatkan efisiensi dan masa pakai baterai kendaraan listrik.

Model Iklim dan Ilmu Lingkungan

Komputasi kuantum dapat mensimulasikan proses kompleks perubahan iklim untuk membantu para peneliti memahami perubahan lingkungan dan menemukan solusi:

• Simulasi Iklim: Memprediksi tren pemanasan global di masa depan dan menyediakan data untuk mendukung perumusan kebijakan pengurangan emisi.
• Optimisasi Distribusi Energi: Membantu para peneliti dalam merancang sistem grid listrik yang lebih efisien untuk mengoptimalkan distribusi energi dan mengurangi pemborosan. Sebagai contoh, Fujitsu bermitra dengan Pelabuhan Hamburg untuk menggunakan komputasi yang terinspirasi dari kuantum untuk mengoptimalkan lampu lalu lintas di area pelabuhan. Hal ini mengurangi kemacetan dan polusi, yang menyebabkan penggunaan energi yang lebih efisien.

Energi Baru dan Fusi Nuklir

Komputasi kuantum dapat mensimulasikan perilaku atom dan molekul, mempercepat penelitian dalam teknologi fusi nuklir dan pengembangan sistem energi yang lebih efisien:

• Simulasi Reaksi Fusi Nuklir: Komputasi kuantum membantu para peneliti memahami kondisi kompleks yang diperlukan untuk reaksi fusi nuklir, memainkan peran penting dalam memajukan revolusi energi bersih.
• Peningkatan Teknologi Baterai: Dengan mensimulasikan reaksi kimia pada tingkat molekuler, komputasi kuantum dapat membantu merancang baterai yang lebih efisien dan ramah lingkungan. Sebagai contoh, Daimler, bekerjasama dengan IBM, memanfaatkan komputasi kuantum untuk mensimulasikan perilaku molekul sulfur, yang berkontribusi pada pengembangan baterai lithium-sulfur yang lebih bertenaga dan tahan lama.

Transportasi dan Logistik

• Penjadwalan Penerbangan: IBM menggunakan komputasi kuantum untuk secara bersamaan mengoptimalkan manajemen armada, penugasan awak, dan faktor penumpang, memberikan solusi yang paling efisien untuk mempercepat pemulihan operasi penerbangan.
• Manufaktur Otomotif: Dalam kemitraan dengan Toyota, Fujitsu memanfaatkan teknologi digital annealing untuk menghitung rute lalu lintas real-time, secara efektif mengurangi biaya logistik dan meningkatkan efisiensi operasional.

Hartmut Neven, pendiri Google Quantum AI, menunjukkan bahwa rilis chip Willow menandai langkah maju yang signifikan untuk komputasi kuantum yang dapat digunakan secara komersial. Meskipun teknologi ini masih dalam tahap awal, itu membentuk fondasi yang kokoh untuk menyelesaikan masalah dunia nyata di masa depan.

Ancaman Komputasi Kuantum terhadap Kripto

Karena komputasi kuantum terus berkembang, ini menghadirkan tantangan yang belum pernah terjadi sebelumnya terhadap keamanan cryptocurrency. Saat ini, sebagian besar cryptocurrency bergantung pada metode enkripsi kunci publik tradisional, seperti Elliptic Curve Cryptography (ECC) dan fungsi hashing SHA-256. Namun, kekuatan komputasi komputer kuantum yang sangat besar berpotensi merusak standar enkripsi yang ada ini sepenuhnya.

1. Risiko Dekripsi Enkripsi Kunci Publik

• Metode enkripsi kunci publik tradisional, seperti RSA dan ECC, bergantung pada kesulitan komputasi masalah seperti faktorisasi prima dan logaritma diskrit untuk memastikan keamanan.
• Algoritma Shor dalam komputasi kuantum dapat menyelesaikan masalah-masalah ini secara eksponensial lebih cepat, membuat metode enkripsi saat ini rentan. Ini berpotensi memungkinkan peretas untuk mengabaikan langkah-langkah keamanan, mendapatkan akses ke kunci privat pengguna, dan mengompromikan aset digital mereka.

2. Risiko Algoritma Hash

• Mekanisme proof-of-work (PoW) Bitcoin bergantung pada fungsi penghashan SHA-256 untuk memastikan integritas transaksi.
• Algoritma Grover dalam komputasi kuantum dapat mempercepat proses peretasan SHA-256 dengan faktor akar kuadrat. Meskipun ini tidak seburuk Algoritma Shor dalam enkripsi kunci publik, hal ini masih bisa melemahkan keamanan kripto.

3. Masalah Keamanan Transaksi

• Detail transaksi secara publik dicatat di blockchain dalam kripto seperti Bitcoin. Hacker bisa memanfaatkan komputasi kuantum untuk meretas kunci privat transaksi yang belum dikonfirmasi, memungkinkan mereka untuk memulai transaksi tanpa izin.
• Kerentanan ini yang menyerang terlebih dahulu, konfirmasi kemudian, menempatkan aset digital dalam risiko dan dapat merusak integritas dan kepercayaan keseluruhan jaringan blockchain.

Menurut laporan dari Institut Hudson, jika komputer kuantum berhasil merusak keamanan Bitcoin, hal itu dapat mengakibatkan kerugian pasar lebih dari $3 triliun, yang berpotensi menimbulkan kekacauan di pasar keuangan global. Risiko ini hanya akan semakin meningkat seiring dengan Bitcoin dan cryptocurrency lainnya terus mendapatkan adopsi utama sebagai aset investasi. Namun, penelitian menunjukkan bahwa komputer kuantum yang cukup kuat untuk merusak enkripsi Bitcoin masih setidaknya satu dekade lagi. Meskipun begitu, ancaman ini tetap menjadi kekhawatiran jangka panjang. Jika komunitas pengembangan Bitcoin gagal memperbarui protokol keamanannya tepat waktu, maka bisa menghadapi risiko yang signifikan di masa depan. Meskipun teknik kriptografi cryptocurrency saat ini masih efektif dalam lingkungan komputasi tradisional, daya komputasi komputer kuantum pada akhirnya bisa mengganggu keseimbangan ini.

Strategi dan Arah untuk Kripto dalam Menanggapi Komputasi Kuantum

Saat komputasi kuantum maju, komunitas kripto dan lembaga penelitian secara aktif menjelajahi strategi untuk melindungi aset digital dan memastikan perkembangan teknologi blockchain yang stabil. Strategi tersebut termasuk meningkatkan teknik kriptografi, memperkuat protokol blockchain, memperkuat langkah-langkah keamanan transaksi, menetapkan regulasi dan standar, serta menciptakan kerangka pemantauan dan kerjasama jangka panjang.

Mengembangkan Kriptografi Post-Kuantum (PQC)

Seperti yang disebutkan sebelumnya, mengingat teknologi enkripsi saat ini (seperti RSA dan ECC) bisa diretas oleh komputer kuantum, pengembangan Kriptografi Post-Kuantum (PQC) telah menjadi fokus utama. Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) memimpin upaya untuk menetapkan standar kriptografi post-kuantum, yang mencakup:

• Enkripsi berbasis lattice: Teknik seperti Kyber dan NTRU, yang memanfaatkan teori lattice untuk memberikan keamanan, telah dipilih oleh NIST sebagai standar kriptografi post-kuantum.
• Enkripsi berbasis hash: Sebagai contoh adalah SPHINCS+, yang sangat cocok untuk tanda tangan digital dan memberikan perlindungan yang kuat terhadap serangan komputasi kuantum.
• Enkripsi polinomial multivariat: Pendekatan ini bergantung pada kompleksitas menyelesaikan persamaan polinomial multivariat untuk menjaga keamanan.

Meningkatkan Protokol Blockchain dan Mengintegrasikan Teknologi

Selain mengembangkan teknik kriptografi baru, protokol blockchain harus ditingkatkan untuk memenuhi tuntutan keamanan era kuantum. Proyek blockchain utama saat ini sedang menjelajahi teknologi berikut:

• Bitcoin: Komunitas sedang menyelidiki cara mengintegrasikan tanda tangan kuantum (seperti tanda tangan Lamport dan tanda tangan Winternitz) ke dalam jaringan Bitcoin untuk memastikan keamanan transaksi.
• Ethereum: Meneliti teknologi bukti nol pengetahuan seperti zk-SNARKs dan STARKs, yang akan meningkatkan privasi dan mengurangi ketergantungan pada teknik kriptografi tradisional.
• Blockchain Tahan Quantum: Proyek-proyek seperti Quantum-Resistant Ledger (QRL) dan QANplatform berfokus pada pengembangan teknologi blockchain yang tahan terhadap serangan kuantum, menjaga keamanan transaksi dan data pada level arsitektural.
• Mengoptimalkan Mekanisme Konsensus Blockchain: Pengenalan algoritma konsensus baru, seperti Proof of Stake (PoS) tahan kuantum, bertujuan untuk memastikan stabilitas jangka panjang dan keamanan sistem terdesentralisasi dalam menghadapi ancaman kuantum.

Memperkuat Keamanan Transaksi dan Kunci Privat

Mengingat potensi komputer kuantum untuk merusak kriptografi tradisional, sangat penting untuk memperkuat keamanan transaksi cryptocurrency dan kunci pribadi.

• Teknologi Tanda Tangan Multi: Ini memerlukan beberapa kunci pribadi untuk mengotorisasi transaksi, meningkatkan keamanan dan meminimalkan risiko kerentanan titik tunggal.
• Skema Tanda Ambang (TSS): Pendekatan ini membagi kunci privat menjadi beberapa bagian, tersebar di beberapa perangkat. Hal ini membuat lebih sulit bagi para peretas untuk mengompromikan satu kunci menggunakan komputasi kuantum.
• Mengurangi Waktu Konfirmasi Transaksi: Dengan mengoptimalkan efisiensi jaringan, waktu yang dibutuhkan untuk mengonfirmasi transaksi dapat dipersingkat, sehingga mengurangi jendela paparan untuk kunci privat di jaringan.

Menetapkan Peraturan dan Standar

• Pengembangan Standar Global: Badan pemerintah dan organisasi internasional, seperti NIST dan ISO, seharusnya bekerja sama dengan perusahaan teknologi untuk menciptakan standar enkripsi kuantum pasca yang seragam. Upaya kolaboratif ini akan membantu memastikan peningkatan global dalam langkah-langkah keamanan di pasar kripto.
• Regulasi untuk Risiko Kuantum: Otoritas regulasi harus menerapkan panduan yang mewajibkan bursa kripto dan penyedia dompet untuk mengadopsi mekanisme tahan kuantum. Regulasi ini akan sangat penting dalam melindungi kepentingan investor.

Kesimpulan

Pengembangan komputasi kuantum telah mencapai tahap penting, dengan chip Willow milik Google mendekatkan kita pada era kuantum. Meskipun ini menandai loncatan teknologi, ini juga menimbulkan ancaman signifikan terhadap keamanan kripto dan sistem keuangan. Para ahli memperkirakan bahwa komputer kuantum yang bisa meretas enkripsi Bitcoin mungkin masih 10 hingga 20 tahun lagi, namun perlombaan sudah dimulai. Arthur Herman, seorang peneliti di Hudson Institute, telah memperingatkan bahwa serangan peretasan kuantum mirip bom waktu. Begitu terjadi, bisa mengakibatkan kerugian hingga $3 triliun dalam nilai pasar dan berpotensi memicu krisis keuangan. Ketika nilai Bitcoin mendekati $100.000, itu menjadi sasaran yang lebih menarik bagi peretas. Akan sangat penting bagi komunitas blockchain, lembaga akademis, dan regulator pemerintah untuk bekerja sama dalam memajukan kriptografi pasca-komputasi kuantum (PQC) dan meningkatkan infrastruktur blockchain yang ada, sehingga menjaga aset digital. Dalam perlombaan melawan waktu ini, mereka yang mengambil langkah proaktif akan menjadi posisi terbaik untuk berkembang di era kuantum.