Superkomputer Masa Depan Gabungkan CPU, GPU, dan QPU

Dunia komputasi tengah memasuki fase transformasi besar. Jika selama puluhan tahun komputer klasik berbasis CPU menjadi tulang punggung pengolahan data, kini paradigma tersebut mulai bergeser. Para peneliti dan industri teknologi global sedang mengembangkan pendekatan baru yang menggabungkan CPU, GPU, dan QPU dalam satu sistem terpadu. Pendekatan ini dikenal sebagai quantum-centric supercomputing, sebuah konsep yang diyakini akan menjadi fondasi komputasi masa depan.

Dalam beberapa tahun terakhir, berbagai demonstrasi superkomputer berorientasi kuantum telah berhasil ditampilkan. Sistem ini tidak hanya mengandalkan kekuatan satu jenis prosesor, tetapi memadukan keunggulan komputasi klasik dan kuantum untuk menyelesaikan persoalan yang sebelumnya sulit, bahkan mustahil, dipecahkan.

Salah satu aktor utama dalam pengembangan teknologi ini adalah IBM. Meski dikenal luas sebagai pemimpin dalam komputasi kuantum, visi IBM sejatinya jauh lebih luas. Perusahaan ini tidak memandang komputasi kuantum sebagai pengganti total komputer klasik, melainkan sebagai bagian penting dari ekosistem komputasi yang saling melengkapi. Dalam paradigma baru ini, setiap jenis prosesor memiliki peran strategis sesuai dengan karakteristik masalah yang dihadapi.

 
Kolaborasi Global Mewujudkan Visi

Visi quantum-centric supercomputing bukanlah gagasan yang muncul secara tiba-tiba. Konsep ini telah lama dikembangkan dan kini mulai menjadi kenyataan berkat kolaborasi erat antara IBM dengan berbagai mitra riset dan industri, seperti Oak Ridge National Laboratory, AMD, RIKEN, serta startup teknologi kuantum Algorithmiq.

Kolaborasi ini menghasilkan terobosan penting yang menunjukkan bagaimana GPU berperforma tinggi dapat bekerja berdampingan dengan QPU untuk mempercepat alur komputasi sekaligus meningkatkan ketelitian hasil perhitungan kuantum. Pendekatan hibrida ini membuktikan bahwa integrasi CPU, GPU, dan QPU mampu melampaui batas performa yang dapat dicapai oleh satu arsitektur saja.

 
Memahami Peran CPU, GPU, dan QPU

Untuk memahami mengapa pendekatan ini begitu revolusioner, penting untuk mengenal peran masing-masing komponen.

CPU (Central Processing Unit) merupakan prosesor utama yang selama ini menjadi inti komputer modern. CPU unggul dalam menjalankan instruksi secara berurutan maupun paralel dalam bentuk thread. Prosesor ini sangat andal dalam menangani logika kompleks, pengelolaan sistem, serta orkestrasi beban kerja yang beragam.

Sementara itu, GPU (Graphics Processing Unit) dirancang untuk menangani komputasi paralel dalam skala besar. GPU mampu menjalankan ribuan hingga jutaan operasi sederhana secara bersamaan, menjadikannya sangat efisien dalam memproses tensor atau struktur data berdimensi banyak. Tensor inilah yang banyak digunakan dalam kecerdasan buatan, simulasi ilmiah, hingga pemodelan fisika.

Berbeda dari CPU dan GPU, QPU (Quantum Processing Unit) menggunakan prinsip mekanika kuantum. Informasi disimpan dalam bentuk qubit yang dapat berada dalam banyak keadaan sekaligus. Melalui sirkuit kuantum, QPU mampu menjalankan operasi matematika yang secara alami tidak dapat ditiru secara efisien oleh komputer klasik.

Namun, mensimulasikan sirkuit kuantum besar menggunakan GPU atau CPU membutuhkan sumber daya yang luar biasa. Sebagai ilustrasi, simulasi sirkuit dengan 50 qubit memerlukan matriks dengan hingga 2⁵⁰ elemen, jumlah yang jauh melampaui kapasitas komputasi klasik saat ini. Inilah alasan mengapa QPU menjadi komponen kunci dalam sistem komputasi masa depan.

 
Sinergi CPU + GPU + QPU

Alih-alih menggantikan komputer klasik, QPU justru bekerja paling efektif saat dipadukan dengan CPU dan GPU. Dalam pendekatan ini, QPU menangani bagian masalah yang melibatkan fenomena kuantum kompleks, sementara CPU dan GPU mengelola proses pendukung seperti komputasi paralel skala besar, pengolahan tensor, serta manajemen alur kerja.

Model sinergis inilah yang melahirkan konsep quantum-centric supercomputing, di mana setiap jenis prosesor digunakan sesuai dengan kekuatan alaminya.

 
Terobosan Algoritma: Sample-based Quantum Diagonalization

Perkembangan perangkat keras ini diiringi oleh kemajuan algoritma. Salah satu yang paling menjanjikan adalah Sample-based Quantum Diagonalization (SQD). Teknik ini dirancang untuk meningkatkan akurasi simulasi di bidang kimia dan ilmu material, dua area yang sangat menantang bagi superkomputer klasik.

Simulasi kimia modern bergantung pada persamaan Hamiltonian untuk menggambarkan perilaku sistem molekuler. Masalahnya, mengekstrak informasi energi dari Hamiltonian membutuhkan tensor berukuran sangat besar. Bahkan superkomputer tercanggih pun hanya mampu memberikan pendekatan kasar.

Melalui SQD, Hamiltonian terlebih dahulu dikodekan ke dalam sirkuit kuantum dan dijalankan pada komputer kuantum. Hasilnya berupa daftar konfigurasi penting yang kemudian diproses oleh komputer klasik untuk membangun tensor yang lebih sederhana. Proses ini dilakukan secara iteratif hingga ditemukan konfigurasi energi terendah dengan tingkat akurasi yang lebih tinggi.

Pendekatan bolak-balik antara sirkuit kuantum dan tensor klasik ini menjadikan SQD sangat ideal dijalankan di lingkungan GPU dan QPU secara bersamaan.

 
GPU Membantu Mengurangi Kesalahan QPU

Selain mempercepat komputasi, GPU juga berperan penting dalam mitigasi kesalahan pada komputer kuantum yang masih rentan terhadap gangguan noise. Teknik terbaru menggunakan model berbasis tensor untuk mengoreksi hasil keluaran sirkuit kuantum yang dijalankan pada perangkat keras nyata.

Penelitian yang dilakukan oleh Algorithmiq, Trinity College Dublin, dan IBM menunjukkan bagaimana teknik mitigasi kesalahan ini dapat meningkatkan kualitas hasil komputasi kuantum. Metode tersebut kini tersedia melalui Qiskit, sehingga dapat dimanfaatkan oleh peneliti dan pengembang secara luas.

Pendekatan serupa juga diterapkan dalam eksperimen time crystal yang dilakukan oleh Basque Quantum, NIST, dan IBM. Eksperimen ini berhasil mendemonstrasikan sistem kuantum dua dimensi dengan 144 qubit, salah satu yang terbesar hingga saat ini.

 
Menuju Era Baru Komputasi

Quantum-centric supercomputing menawarkan gambaran masa depan komputasi yang inklusif dan realistis. Masa depan ini bukan tentang memilih antara komputasi klasik atau kuantum, melainkan menggabungkan keduanya secara cerdas.

Ke depan, peningkatan prosesor kuantum IBM serta pengembangan Qiskit akan memungkinkan alur kerja heterogen yang mengintegrasikan komputasi kuantum, CPU klasik, dan GPU, baik melalui cloud maupun infrastruktur lokal. Menjelang akhir dekade ini, sistem kuantum yang toleran terhadap kesalahan diperkirakan akan menjadi kenyataan.

Bagi dunia riset, industri, dan teknologi, pesan utamanya jelas: masa depan komputasi sudah dimulai sekarang. Mereka yang mampu memahami dan memanfaatkan kekuatan quantum-centric supercomputing sejak dini akan berada di garis depan revolusi komputasi berikutnya.