Teknologi kuantum hari ini: qubit, superposisi, dan keterbelitan, komputer kuantum dan batasnya, kriptografi pascakuantum, distribusi kunci kuantum, sensor dan jam atom, serta janji yang realistis dan yang dibesar-besarkan

Kepala teknik sebuah hotel 280 kamar menerima proposal pemasok kunci pintu (angka latihan): "kartu berpengaman kuantum yang mustahil diretas selamanya", server yang "memakai teknologi komputer kuantum", dan distribusi kunci kuantum lewat serat optik ke blok vila, dengan biaya tambahan Rp1,2 miliar (angka latihan). Teknisi diminta menilainya. Pertanyaan yang tepat: standar apa yang dipakai, apakah perangkat dapat diperbarui ketika standar berubah, apa yang sebenarnya dilindungi, dan klaim mana yang dapat diperiksa. Bab ini memberi dasar untuk menjawabnya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pokok yang disebut judulnya, dengan tanggal acuan 21 Oktober 2026. Fungsi gelombang dan normalisasi dibahas di Bab 31 tentang persamaan Schrödinger, celah ganda di Bab 30 tentang gelombang materi, spin elektron di Bab 32 tentang atom kuantum, dan tafsir pengukuran, ketidaksamaan Bell, serta produk berlabel kuantum di Bab 35 tentang klaim populer. Aturan peluang dan distribusi binomial ada di Bab 10 · Data & Pengukuran tentang peluang.

Sumber utamanya OpenStax University Physics Volume 3, ditambah Volume 1 untuk jam atom dan Volume 2 untuk superkonduktor terapan. Status teknologi diambil dari halaman resmi NIST dan NSA, makalah riset, dan pemberitaan bertanggal, dengan status setiap klaim di peta sumber. Klaim perusahaan ditulis tanpa nama perusahaan atau produk.

Bit dan qubit: superposisi dan peluang hasil ukur

Bit klasik selalu bernilai 0 atau 1, seperti di Bab 3 · Komputasional tentang bit dan byte. OpenStax menjelaskan bahwa komputer kuantum mengolah data dalam bit kuantum, dengan sistem dua keadaan seperti spin elektron.

Qubit (quantum bit) adalah satuan informasi kuantum yang disimpan dalam sistem fisik dengan dua keadaan dasar, yang ditulis sebagai nol dan satu. Superposisi (superposition) adalah keadaan kuantum berupa gabungan berbobot dari beberapa keadaan dasar sekaligus. Keadaan satu qubit ditulis

$\lvert\psi\rangle = \alpha\lvert 0\rangle + \beta\lvert 1\rangle, \qquad |\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1$

dengan $\alpha$ dan $\beta$ amplitudo (bilangan kompleks tanpa satuan). Seperti tafsir Born di Bab 31, kuadrat besar amplitudo memberi peluang, dan syarat jumlah peluang sama dengan satu adalah normalisasi. OpenStax menulis bahwa bila banyak qubit disiapkan dalam keadaan yang sama, pengukuran satu qubit memberi nol dengan peluang $p$ dan satu dengan peluang $q = 1 - p$. Buku itu menyebutnya "keadaan campuran"; istilah yang lebih ketat adalah superposisi (pengetahuan umum).

Akibatnya:

1. Satu pengukuran hanya memberi satu bit; peluang hanya terlihat dari banyak pengulangan (Contoh 1).
2. Setelah diukur, qubit berada di keadaan hasil ukurnya; OpenStax menyebut proses ini reduksi keadaan atau keruntuhan fungsi gelombang.
3. Amplitudo boleh negatif atau kompleks; peluang dihitung dari hasil kali dengan sekawannya, misalnya $(3+4i)(3-4i) = 25$ dalam contoh OpenStax. Tanda amplitudo baru terlihat setelah gerbang berikutnya (Contoh 3).

Gerbang kuantum dan keterbelitan

Gerbang kuantum (quantum gate) adalah operasi terkendali yang mengubah amplitudo qubit tanpa mengukurnya. Gerbang ditulis sebagai matriks yang mengalikan vektor amplitudo (pengetahuan umum).

$H = \frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix}$

Hadamard yang diterapkan dua kali mengembalikan $\lvert 0\rangle$ dengan pasti (Contoh 2), karena dua jalur menuju $\lvert 1\rangle$ berlawanan tanda dan saling meniadakan. Gejala ini adalah interferensi, sama dengan pola celah ganda di Bab 30. Algoritma kuantum menyusun interferensi supaya amplitudo jawaban salah saling meniadakan (pengetahuan umum).

Keterbelitan (entanglement) adalah keadaan dua qubit atau lebih yang hanya dapat diuraikan sebagai satu keadaan bersama, tidak sebagai keadaan masing-masing qubit. Hadamard lalu CNOT menghasilkan keadaan Bell

$\lvert\Phi^+\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}\left(\lvert 00\rangle + \lvert 11\rangle\right)$

yang selalu terukur 00 atau 11, masing-masing dengan peluang 0,5 (Contoh 4). Keadaan $n$ qubit memerlukan $2^n$ amplitudo, sehingga simulasi 50 qubit di komputer biasa memerlukan memori berukuran petabyte (Contoh 5).

Yang tidak dapat dilakukan keterbelitan (pengetahuan umum):

• Mengirim informasi lebih cepat dari cahaya. Hasil di setiap sisi tetap acak 50 banding 50; korelasinya baru terlihat setelah catatan dibandingkan lewat saluran biasa.
• Menyalin keadaan. Keadaan kuantum yang tidak diketahui tidak dapat disalin sempurna (teorema tanpa-salin), sehingga qubit tidak dapat dicadangkan seperti data biasa.
• Memberi $2^n$ hasil. Pengukuran $n$ qubit hanya memberi $n$ bit.

Yang dipercepat dan yang tidak

Percepatan kuantum hanya muncul bila soal mempunyai struktur yang dapat dimanfaatkan interferensi. Dua algoritma yang paling sering disebut (pengetahuan umum):

Percepatan Grover kuadratik, bukan eksponensial: pada sejuta entri, langkah turun dari sekitar 500.000 menjadi 785, dan keunggulan itu hilang bila satu langkah kuantum seribu kali lebih lama dari satu pemeriksaan biasa (Contoh 6). Untuk kunci simetris, percepatan ini umumnya diimbangi dengan kunci lebih panjang, misalnya AES 256 bit (pengetahuan umum). Untuk basis data reservasi, rekaman CCTV, atau jadwal perawatan, tidak ada algoritma kuantum yang diketahui memberi keuntungan berarti (penalaran editorial).

Dekoherensi dan koreksi galat

Dekoherensi (decoherence) adalah hilangnya hubungan fase antara amplitudo qubit akibat interaksi tak terkendali dengan lingkungan, sehingga superposisi berubah menjadi hasil acak biasa. Panas, getaran, dan medan liar menimbulkan galat; OpenStax mencatat bahwa prosesor komputer kuantum bekerja pada suhu dekat nol mutlak. Banyak prosesor kuantum memakai rangkaian superkonduktor (pengetahuan umum), dan OpenStax 9.8 menjelaskan bahwa superkonduktivitas hanya ada di bawah suhu kritis.

Bila setiap gerbang gagal dengan peluang $p$ secara saling bebas, peluang rangkaian lolos tanpa galat adalah (pengetahuan umum)

$P_{\text{lolos}} = (1 - p)^G$

dengan $p$ peluang galat per gerbang (tanpa satuan) dan $G$ jumlah gerbang. Pada $p = 0{,}001$, rangkaian 1.000 gerbang hanya lolos dengan peluang 0,37 (Contoh 7).

Koreksi galat kuantum (quantum error correction) adalah cara menyebarkan informasi satu qubit ke banyak qubit fisik dan memeriksa galatnya berulang-ulang tanpa mengukur informasi yang disimpan. Qubit logis (logical qubit) adalah qubit informasi yang dilindungi koreksi galat dan dibangun dari banyak qubit fisik. Gagasannya mirip pemeriksaan galat pesan di Bab 5 · Komputasional, tetapi pemeriksaannya memakai qubit bantu karena qubit data tidak boleh dibaca langsung. Koreksi galat baru bermanfaat bila galat fisik berada di bawah suatu ambang (pengetahuan umum).

Status per 21 Oktober 2026

Pembacaan tabel (penalaran editorial): koreksi galat sudah bekerja pada sekitar seratus qubit fisik, jauh dari sejuta qubit dalam perkiraan 2025, dan perkiraan 2026 masih rancangan di atas kertas. Kapan mesin pemecah kunci publik ada belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 21 Oktober 2026; ketidakpastian inilah alasan migrasi dimulai sekarang.

Kriptografi kunci publik dan kriptografi pascakuantum

Kriptografi kunci publik (public-key cryptography) adalah cara mengamankan komunikasi dengan sepasang kunci, yaitu kunci publik yang boleh dibagikan dan kunci privat yang dirahasiakan pemiliknya. Cara ini membuka sesi HTTPS dan VPN, menandatangani sertifikat, dan memverifikasi firmware; RSA dan kriptografi kurva eliptik runtuh terhadap algoritma Shor pada mesin yang cukup besar (pengetahuan umum).

Data yang disadap hari ini dapat disimpan lalu dibuka kelak, sehingga ancamannya berlaku sebelum mesinnya ada. Ketaksamaan Mosca merangkumnya (pengetahuan umum):

$x + y > z \;\Rightarrow\; \text{data berisiko}$

dengan $x$ lama data harus tetap rahasia, $y$ lama migrasi, dan $z$ waktu sampai mesin pemecah ada, semuanya dalam tahun (Contoh 9).

Kriptografi pascakuantum (post-quantum cryptography) adalah algoritma kriptografi yang berjalan di komputer biasa dan dirancang tahan terhadap serangan komputer kuantum maupun komputer biasa. NIST menerbitkan tiga standar pada 13 Agustus 2024:

Menurut halaman proyek NIST, FALCON akan menjadi FIPS 206 yang masih dikembangkan, dan HQC dipilih pada 11 Maret 2025 sebagai cadangan untuk ML-KEM. Draf awal NIST IR 8547 tentang transisi terbit 12 November 2024 dan, menurut daftar NIST yang ditemukan, masih berstatus draf. Menurut ringkasan sekunder, draf itu mengusulkan RSA, ECDSA, ECDH, dan algoritma rentan kuantum lain dinyatakan usang setelah 2030 dan tidak diizinkan setelah 2035.

Di Indonesia, menurut pemberitaan Januari 2026, Kepala BSSN menyatakan di Komisi I DPR bahwa peta jalan kriptografi pascakuantum perlu disiapkan dalam lima tahun. Menurut pemberitaan Agustus 2026, rapat Kemenko Polkam dan BSSN pada 6 Agustus 2026 menyepakati penyusunan Peta Jalan Nasional Migrasi Post-Quantum Cryptography, dan BSSN telah membentuk gugus tugas nasionalnya. Dokumen final belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 21 Oktober 2026.

Apa artinya bagi teknisi

Teknisi mengelola perangkat yang memakai kriptografi: router, titik akses, perekam CCTV, panel kunci pintu, pengendali gedung, dan alat medis berjaringan. Langkahnya (penalaran editorial):

1. Inventaris. Catat perangkat yang memakai HTTPS, VPN, sertifikat, atau firmware bertanda tangan, dengan versi firmware dan akhir dukungan pabrik.
2. Pembaruan. Algoritma baru datang lewat firmware, mengikuti perubahan terkendali di Bab 6 · Komputasional tentang perangkat lunak kendali. Perangkat yang tidak lagi diperbarui pabrik tidak akan mendapatkannya.
3. Sertifikat. Catat kedaluwarsa dan algoritma tanda tangannya; sertifikat pascakuantum datang dari otoritas sertifikat dan pabrik.
4. Kelincahan kriptografi. Kelincahan kriptografi (crypto agility) adalah kemampuan sistem mengganti algoritma kriptografi lewat pembaruan tanpa mengganti perangkat kerasnya. Pengadaan baru meminta pernyataan tertulis pabrik tentang dukungan FIPS 203 dan FIPS 204.
5. Umur perangkat. Perangkat yang dibeli tahun ini dan dipakai sepuluh tahun masih bekerja setelah 2035.

Ancaman paling sering hari ini tetap kata sandi bawaan dan firmware usang (penalaran editorial).

Distribusi kunci kuantum

Distribusi kunci kuantum (quantum key distribution, QKD) adalah cara membentuk kunci rahasia bersama dengan mengirim keadaan kuantum, biasanya foton, sehingga penyadapan mengganggu keadaan yang dikirim dan dapat terdeteksi. QKD tidak mengenkripsi data; QKD hanya menghasilkan kunci untuk algoritma simetris dan tetap memerlukan saluran klasik yang terautentikasi (pengetahuan umum).

NSA tidak merekomendasikan QKD maupun kriptografi kuantum untuk melindungi transmisi data di sistem keamanan nasional kecuali keterbatasannya teratasi, menyebut QKD memerlukan teknologi khusus, dan menilai kriptografi berbasis algoritma matematis sebagai alternatif yang lebih baik. Bagi hotel (penalaran editorial), QKD memerlukan perangkat khusus di kedua ujung, tidak melindungi data tersimpan di server, dan tidak menggantikan pembaruan firmware dan sertifikat.

Sensor kuantum dan jam atom

Jam atom (atomic clock) adalah jam yang detaknya diturunkan dari frekuensi transisi energi di dalam atom. OpenStax mencatat bahwa sejak 1967 satu detik didefinisikan sebagai waktu untuk 9.192.631.770 getaran atom cesium, bahwa jam cesium menjaga waktu dengan presisi lebih baik dari satu mikrodetik per tahun, dan bahwa GPS bergantung pada presisi jam atom. OpenStax Volume 3 menambahkan bahwa waktu satelit GPS harus dikoreksi untuk efek relativitas. Sinyal radio menempuh sekitar 0,3 m per nanodetik, sehingga galat 1 µs berarti galat jarak sekitar 300 m (Contoh 8). Penerima GPS tidak memuat jam atom; penerima memecahkan selisih jamnya bersama posisinya (pengetahuan umum). Server waktu berbasis GPS meneruskan presisi itu ke perangkat, seperti sinkronisasi di Bab 12 · Data & Pengukuran.

Transisi jam cesium berasal dari interaksi spin di dalam atom (pengetahuan umum). OpenStax 8.3 menjelaskan bahwa elektron hanya mempunyai dua keadaan spin, dan bahwa transisi spin elektron dalam medan 1,5 T menghasilkan radiasi $4{,}2 \times 10^{10}$ Hz, sesuai $f = 2\mu_B B/h$ dengan $\mu_B$ magneton Bohr (J/T), $B$ medan magnet (T), dan $h$ tetapan Planck (J s). Frekuensi yang sebanding dengan medan adalah prinsip magnetometer berbasis spin (penalaran editorial).

Sensor kuantum (quantum sensor) adalah alat ukur yang memanfaatkan keadaan kuantum, seperti tingkat energi atom, spin, atau interferensi arus superkonduktor, untuk mengukur waktu, medan, atau besaran lain. OpenStax Volume 2 menyebut SQUID, magnetometer berbasis simpul superkonduktor dengan dua sambungan Josephson yang mendeteksi medan sekecil $10^{-14}$ T, sedangkan medan Bumi sekitar $0{,}3 \times 10^{-5}$ T, dan mencatat bahwa magnet superkonduktor dipakai pada MRI. OpenStax Volume 3 menambahkan bahwa superkonduktor tipe II seperti NbTi (suhu kritis 9,3 K, medan kritis 15 T) cocok untuk lilitan magnet medan tinggi, dan banyak penerapan masih memerlukan helium cair 4,2 K. Teknisi di sekitar MRI sudah berurusan dengan teknologi kuantum yang dewasa, lengkap dengan bahaya kriogennya.

Janji realistis dan pemasaran berlebihan

Tanda bahaya pemasaran (penalaran editorial): jumlah qubit tanpa laju galat, kata "kuantum" tanpa nama standar, janji mutlak, dan tanpa rencana pembaruan. Produk rumah tangga berlabel kuantum dibahas di Bab 35 tentang klaim populer.

Contoh kerja

Contoh 1: Peluang hasil ukur. Qubit $0{,}6\lvert 0\rangle + 0{,}8\lvert 1\rangle$ (angka latihan). $P(0) = 0{,}6^2 = 0{,}36$ dan $P(1) = 0{,}8^2 = 0{,}64$; jumlahnya 1, sehingga keadaan ternormalisasi. Pada 1.000 kali ukur, harapannya 360 kali nol, dengan simpangan baku binomial $\sqrt{1.000 \times 0{,}36 \times 0{,}64} = 15{,}2$; hasil 352 kali nol masih wajar.

Contoh 2: Hadamard dua kali. $H\lvert 0\rangle$ memberi amplitudo 0,7071 dan 0,7071, peluang 0,5 dan 0,5. Hadamard kedua memberi amplitudo nol $(0{,}7071 + 0{,}7071)/\sqrt{2} = 1$ dan amplitudo satu $(0{,}7071 - 0{,}7071)/\sqrt{2} = 0$, sehingga hasilnya pasti 0, sedangkan dua lemparan koin tetap memberi peluang 0,5.

Contoh 3: Tanda amplitudo menentukan hasil. Keadaan $0{,}6\lvert 0\rangle + 0{,}8\lvert 1\rangle$ dan $0{,}6\lvert 0\rangle - 0{,}8\lvert 1\rangle$ sama-sama memberi 0,36 dan 0,64 bila langsung diukur (angka latihan). Setelah Hadamard, keadaan pertama menjadi $(0{,}6+0{,}8)/\sqrt{2} = 0{,}990$ untuk nol dan $(0{,}6-0{,}8)/\sqrt{2} = -0{,}141$ untuk satu, sehingga $P(0) = 0{,}98$; keadaan kedua memberi $P(1) = 0{,}98$.

Contoh 4: Keadaan Bell dan pesan. Hadamard pada qubit Alice lalu CNOT memberi amplitudo 0,7071 untuk 00 dan 11, serta nol untuk 01 dan 10. Pada 1.000 pasangan, setiap catatan Alice cocok dengan catatan Bob, tetapi Bob sendiri melihat sekitar 500 nol dan 500 satu (simulasi penyusun: 485 nol). Apa pun yang dilakukan Alice, sebaran hasil Bob tetap 0,5 dan 0,5, sehingga tidak ada pesan terkirim.

Contoh 5: Memori simulasi. Satu amplitudo kompleks presisi ganda memakan 16 byte (pengetahuan umum). Untuk 30 qubit: $2^{30} = 1{,}07 \times 10^{9}$ amplitudo atau $1{,}72 \times 10^{10}$ byte, sekitar 17 GB. Untuk 50 qubit: $2^{50} \times 16 = 1{,}8 \times 10^{16}$ byte, sekitar 18 PB.

Contoh 6: Grover pada sejuta entri. $N = 10^6$ (angka latihan). Pencarian biasa rata-rata memerlukan $N/2 = 500.000$ pemeriksaan, sedangkan Grover sekitar $\frac{\pi}{4}\sqrt{10^6} = 785$ langkah. Bila satu langkah kuantum seribu kali lebih lama dari satu pemeriksaan biasa (angka latihan), biayanya setara $785 \times 1.000 = 785.000$ pemeriksaan, lebih lambat dari cara biasa.

Contoh 7: Galat yang menumpuk. Dengan $p = 0{,}001$: $(1 - 0{,}001)^{100} = 0{,}905$, $(1 - 0{,}001)^{1.000} = 0{,}368$, dan untuk sejuta gerbang peluangnya praktis nol. Tabel status mencatat 0,143 persen per siklus pada jarak 7 dengan faktor 2,14. Bila faktor itu tetap (penalaran editorial), jarak 9 memberi $0{,}143/2{,}14 = 0{,}067$ persen dan jarak 11 memberi 0,031 persen; perlu sekitar sepuluh kenaikan jarak untuk mencapai satu galat per sejuta siklus.

Contoh 8: Jam dan posisi. $c \times 1\ \mu\text{s} = 2{,}998 \times 10^8 \times 10^{-6} = 300$ m. Jam kristal 20 ppm dari Bab 12 · Data & Pengukuran bergeser $20 \times 10^{-6} \times 86.400 = 1{,}73$ s per hari, setara $5{,}2 \times 10^8$ m bila dipakai mengukur jarak. Jam cesium dengan galat 1 µs per tahun bergeser $10^{-6}/365{,}25 = 2{,}7$ ns per hari, setara 0,82 m. Galat relatif cesium, $3{,}2 \times 10^{-14}$, sekitar enam ratus juta kali lebih kecil dari $2 \times 10^{-5}$.

Contoh 9: Ketaksamaan Mosca untuk rekam medis. Data pasien yang dikirim lewat VPN rumah sakit harus rahasia 10 tahun, migrasi seluruh perangkat diperkirakan 6 tahun, dan waktu sampai mesin pemecah ada diperkirakan 12 tahun (semuanya angka latihan). $x + y = 16 > 12$, sehingga data yang disadap mulai hari ini berisiko, bahkan bila $z = 15$. Untuk data reservasi yang cukup rahasia 5 tahun dengan migrasi 3 tahun dan $z = 10$, $8 < 10$, tersisa cadangan 2 tahun.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan ke pihak berwenang bila:

1. Perubahan kriptografi, sertifikat, atau VPN tidak disetujui tertulis oleh pemilik sistem dan pengelola TI.
2. Firmware kunci pintu, CCTV, atau alat medis tidak berasal dari sumber resmi pabrik atau tidak sesuai revisi perangkat.
3. Pemasok menolak menyebut standar atau rencana pembaruan di balik klaim "kuantum"; serahkan keputusan ke pengelola TI dan pengadaan.
4. Pekerjaan berada di ruang MRI atau dekat magnet superkonduktor dan wadah kriogen; ikuti prosedur rumah sakit dan petugas MRI.
5. Server waktu atau GPS menunjukkan loncatan waktu yang memengaruhi kunci pintu, catatan medis, atau CCTV; laporkan sebelum menyetel jam.
6. Ada dugaan penyadapan atau kebocoran data; jangan menghapus catatan, dan laporkan sesuai prosedur insiden serta Bab 1 · Keselamatan tentang kondisi berhenti.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 31 memberi tafsir Born, Bab 30 interferensi celah ganda, Bab 32 spin, Bab 35 tafsir pengukuran, Bab 10 · Data & Pengukuran binomial, Bab 3 · Komputasional bit, Bab 5 · Komputasional pemeriksaan galat, Bab 6 · Komputasional firmware, dan Bab 12 · Data & Pengukuran sinkronisasi jam. Sistem kunci pintu pada kasus pembuka dibahas di Bab 94 · Kelistrikan & Kendali tentang kendali akses pintu.

Latihan dan pembahasan

Referensi