คอมพิวเตอร์ควอนตัม: ความหมาย ข้อดี และอื่นๆ

การคำนวณควอนตัมคือการประยุกต์ใช้หลักการควอนตัมกลศาสตร์ในการคำนวณ ปรากฏการณ์พื้นฐานที่ใช้ในที่นี้คือการ พัวพัน และการ ทับซ้อน

แม้ว่าการคำนวณด้วยควอนตัมเป็นคำศัพท์ที่ค่อนข้างใหม่ แต่กลศาสตร์ควอนตัมก็มีอยู่นานกว่ามาก รับผิดชอบการพัฒนาที่สำคัญในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และยังให้คำตอบแก่ความลึกลับของมนุษยชาติอีกด้วย

กลศาสตร์ควอนตัมมุ่งเน้นไปที่วิธีการทำงานของอะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอม ในขณะที่คำว่าควอนตัมหมายถึงอนุภาคที่เล็กที่สุดที่เราสามารถทำงานด้วยได้ นั่นคือองค์ประกอบพื้นฐานที่สำคัญที่สุดของวัตถุทางกายภาพใดๆ

ตั้งแต่ Max Planck ถึง Albert Einstein, Neils Bohr และ Erwin Schrodinger นักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่หลายคนมีส่วนร่วมในการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมและจุดสุดยอดในที่สุดในการแข่งขันคอมพิวเตอร์ควอนตัมซึ่งเป็นหนึ่งในการแข่งขันทางเทคโนโลยีที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในยุคของเรา

โพสต์นี้จะพาคุณเข้าสู่โลกมหัศจรรย์ของปรากฏการณ์ควอนตัม แสดงวิธีสร้างคอมพิวเตอร์จากคอมพิวเตอร์ และสำรวจสาขาที่เกี่ยวข้อง

การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล

ปรากฏการณ์ควอนตัมท้าทายความเข้าใจแบบเดิมและทำงานบนเงื่อนไขที่แตกต่างจากฟิสิกส์คลาสสิกอย่างสิ้นเชิง ดังนั้น ในช่วงทศวรรษที่ 1930 ไอน์สไตน์จึงใช้คำว่า "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล" เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ของการพัวพันควอนตัมและวิธีที่มันไม่เข้ากับวิทยาศาสตร์ทั่วไป

การพัวพันกับควอนตัมไม่ใช่เรื่องใหม่ หากคุณสร้างอนุภาคสองชิ้นในที่เดียวกันและทันที อนุภาคเหล่านั้นจะพันกัน หมายความว่า อะไรก็ตามที่เกิดขึ้นกับตัวหนึ่ง ย่อมส่งผลกับอีกตัวหนึ่ง

มันเหมือนกับตกหลุมรักและรับสายทุกครั้งที่คุณคิดถึงคนรักของคุณ หรือโทรออกและได้ยินว่า "ฉันกำลังจะโทรหาคุณ" ฝาแฝดที่เหมือนกันยังเป็นที่รู้กันว่าป่วยในเวลาเดียวกัน

ส่วนที่น่ากลัวที่สุดของการพัวพันของควอนตัมคือคุณสามารถนำอนุภาคที่พัวพันออกไปได้ไกล และไม่ว่าสภาวะใดก็ตามที่คุณอยู่ภายใต้จะส่งผลต่ออนุภาคที่สองในทันที แม้จะอยู่ห่างจากดาราจักรเพียงครึ่งเดียวก็ตาม

คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้คุณสมบัตินี้เพื่อจัดเก็บข้อมูลจำนวนมหาศาลบนอนุภาคหลาย ๆ อันพร้อมกัน อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า qubits หรือ quantum-bits แต่ก่อนอื่น ให้ดูปรากฏการณ์ทางกลควอนตัมที่สอง

Erwin Schrodinger และแมวของเขา

นักวิจัยควอนตัมในยุคแรกอีกคนหนึ่งคือเออร์วิน ชโรดิงเงอร์ นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย ผู้ซึ่งเหมือนกับอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ พบว่าบางส่วนของปรากฏการณ์ควอนตัมไร้สาระพอๆ กัน ดังนั้น เขาจึงได้คิดค้นการทดลองทางความคิดที่โด่งดังในขณะนี้ซึ่งเรียกว่า "แมวของชโรดิงเงอร์" เพื่อแสดงภาพความขัดแย้งของการซ้อนควอนตัม

แม้ว่าการทดลองนี้ระบุว่า ถ้าคุณใส่แมวและบางสิ่งที่สามารถฆ่าแมวลงในกล่องและปิดผนึกมัน คุณจะไม่รู้ว่าแมวตายหรือยังมีชีวิตอยู่จนกว่าคุณจะเปิดกล่อง ตามหลักเหตุผลแล้ว เจ้าแมวตัวนั้นทั้งตายและมีชีวิตอยู่จนกว่าคุณจะเปิดกล่อง

การทับซ้อนเป็นปรากฏการณ์ที่สองที่ทำให้การคำนวณควอนตัมเป็นไปได้ โดยที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกทำงานกับบิตของข้อมูลที่สามารถแทนค่า 1 หรือ 0 ได้ตลอดเวลา คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะทำงานกับคิวบิต (ควอนตัมบิต) ที่สามารถแทนค่า 0 และ 1 ได้ในเวลาเดียวกัน เช่นเดียวกับแมวที่เสียชีวิตและ มีชีวิตอยู่.

นี่คือการมองอย่างใกล้ชิดที่ qubits

The Bit vs The Qubit

qubit เป็นสิ่งที่ทำให้การคำนวณควอนตัมเป็นไปได้ เรียกอีกอย่างว่าควอนตัมบิตหรือ qbit qubit เป็นหน่วยพลังงานที่เล็กที่สุดที่คุณสามารถจัดการเพื่อบันทึกและดึงข้อมูลได้

บิตคอมพิวเตอร์ปกติสามารถเป็น 0 หรือ 1 ได้ในเวลาใดก็ตาม ในขณะที่ควอนตัมบิตสามารถเป็นได้ทั้งสองอย่างในเวลาเดียวกัน ดังนั้น บิตปกติสองบิตจึงสามารถเก็บ 00, 01, 10 และ 11 ได้ตลอดเวลา แต่ควอนตัมบิตสองบิตสามารถเก็บสถานะทั้งสี่ไว้ได้ในเวลาเดียวกัน ซึ่งหมายความว่ารอบการประมวลผลเร็วขึ้น 4 เท่า

ด้วยบิตปกติ 3 บิต คุณสามารถรับ 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 และ 111 ได้ตลอดเวลา แต่ 3 qubits จะเก็บสถานะทั้งแปดไว้พร้อมกัน ทำให้รอบการประมวลผลเร็วขึ้น 8 เท่า อย่างที่คุณเห็น ความสัมพันธ์นี้เป็นแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล จากนั้นแต่ละบิตเพิ่มเติมจะเพิ่มจำนวนข้อมูลที่มีอยู่เป็นสองเท่า

ดังนั้น ด้วย 5 qubits คุณกำลังดู 32 สถานะพร้อมกัน โดย 10 qubits เป็นมากกว่า 1,000 รัฐ และที่ 20 qubits มากกว่าหนึ่งล้าน ตอนนี้ ลองพิจารณาว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาด 1,000 คิวบิตที่ IBM และ Google กำลังพัฒนาสามารถเก็บพร้อมกันได้กี่เครื่อง

คุณสามารถสร้างคิวบิตจากโฟตอน อิเล็กตรอน นิวเคลียสของอะตอม จุดควอนตัม ตัวนำยิ่งยวด และการใช้งานอื่นๆ เป้าหมายคือการสร้างคอลเล็กชั่นพลังงานควอนตัมที่เสถียรซึ่งคุณสามารถตั้งค่าและวัดได้ตามต้องการ

ข้อดีของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการคำนวณควอนตัมคือผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นทันทีจากปัญหาที่ซับซ้อน นี่เป็นส่วนใหญ่ในสถานการณ์ที่คุณต้องเลือกคำตอบที่ถูกต้องจากความเป็นไปได้มากมาย และสิ่งนี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแยกตัวประกอบตัวเลข การจำลองขนาดใหญ่ และการจดจำรูปแบบในปัญญาประดิษฐ์

แนวทางมาตรฐานสำหรับคอมพิวเตอร์คลาสสิกคือการตรวจสอบความเป็นไปได้แต่ละอย่างจนกว่าคุณจะพบสิ่งที่คุณกำลังมองหา มักเรียกว่าเข็มในการค้นหากองหญ้า ระยะเวลาการดำเนินการนี้จะขึ้นอยู่กับจำนวนหญ้าแห้งหรือบันทึกที่คุณต้องกรอง และเครื่องของคุณเร็วแค่ไหน

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ทำให้ปัญหาดังกล่าวง่ายขึ้นโดยเพิ่มความเร็วในการตรวจสอบความเป็นไปได้แต่ละอย่าง ในทางกลับกัน คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถสร้างความเป็นไปได้ทั้งหมดพร้อมกัน หากมีคิวบิตเพียงพอ นั่นคือเหตุผลที่พวกเขาสามารถคำนวณปัญหาได้ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง ซึ่งคอมพิวเตอร์ทั่วไปจะใช้เวลาหลายร้อยถึงหลายพันปีในการคำนวณ

ปัญหาและข้อจำกัดของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ในขณะที่คุณสามารถวัดบิตในคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกได้อย่างง่ายดาย การวัด qubit จะทำลายสถานะและสถานะของ qubit ที่พันกัน

นอกจากนี้ บิตคลาสสิกยังทำมาจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลากหลายประเภทที่ต้องเก็บประจุ (1) หรือไม่ (0) อย่างไรก็ตาม Qubits มีความซับซ้อนและยากที่จะนำไปใช้ และนอกจากการแยกควิบิตออกตามพื้นที่แล้ว คุณต้องปกป้องมันจากการรบกวนของสิ่งแวดล้อม เช่น อุณหภูมิและความผันผวนของไฟฟ้าสถิต เพราะการเปลี่ยนแปลงทางสิ่งแวดล้อมเล็กๆ น้อยๆ ดังกล่าวจะทำให้รัฐเหล่านี้เสียหายไปด้วย

การสูญเสียสิ่งกีดขวางหรือความสมดุลของระบบนี้เรียกว่าการถอดรหัสควอนตัมและเป็นปัญหาสำคัญที่นักวิจัยส่วนใหญ่พยายามแก้ไข เป็นเรื่องร้ายแรงมากที่เครื่อง 1,000 คิวบิตที่กำลังจะมีขึ้นของ Google จะต้องใช้มากถึง 1,000 คิวบิตสำหรับการแก้ไขข้อผิดพลาดของแต่ละ qubit จึงทำให้เป็นเครื่องจักรขนาด 1 ล้านคิวบิต

นอกจากนี้ยังหมายความว่าขณะนี้คุณไม่สามารถจัดการกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้เช่นเดียวกับแล็ปท็อปหรือสมาร์ทโฟน คอมพิวเตอร์ต้องการสภาพห้องปฏิบัติการเพื่อรักษาระดับความเสถียรที่ปลอดภัยสำหรับ qubits

ข้อเสียเปรียบอีกประการหนึ่งคือขอบเขตที่จำกัดของสิ่งที่เรียกว่าอำนาจสูงสุดของควอนตัม เนื่องจากไม่ใช่ว่าทุกปัญหาในการคำนวณจะเกี่ยวข้องกับตัวเลขหรือความเป็นไปได้จำนวนมาก ดังนั้น การคำนวณที่เพิ่มขึ้นในการดำเนินการอื่นๆ ส่วนใหญ่จึงไม่มีนัยสำคัญเกินไปที่จะพิสูจน์แนวทางการคำนวณควอนตัม และเว้นแต่ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะมีราคาถูกกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก พวกเขาก็จะไม่เปลี่ยนเครื่องใหม่ในเร็วๆ นี้

แม้จะมีข้อเสียทั้งหมดเหล่านี้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมและ qubits ของพวกเขายังคงมีศักยภาพอย่างมากในอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์เนื่องจากมีจำนวนมากที่พวกเขาสามารถจัดการได้อย่างง่ายดาย

คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีอันตรายหรือไม่?

ใช่. แฮ็กเกอร์ที่ดีทุกคนรู้ดีว่าทุกเทคโนโลยีมีช่องโหว่ คุณเพียงแค่ต้องหามัน ดังนั้นไม่ว่าการใช้งานจริงของคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคตจะยังมีปัญหากับเทคโนโลยี และนักแสดงพร้อมที่จะใช้ประโยชน์จากพวกเขา

ภาพจำลองนี้อ้างถึงการใช้งานต่างๆ เช่น การธนาคาร การเงิน รัฐบาล และกิจกรรมสาธารณะที่คล้ายคลึงกัน สถานการณ์ที่สองคือเมื่อผู้มุ่งร้ายใช้พลังอันน่าทึ่งของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ดีเพื่อดึงความสามารถออกมา และเช่นเคย ผู้คนจะรับรู้ถึงความเป็นไปได้ดังกล่าวหลังจากการกระทำเสร็จสิ้นเท่านั้น

การคำนวณควอนตัมทำได้ดีกับตัวเลข ดังนั้น อัลกอริธึมการเข้ารหัสแบบอสมมาตรที่ใช้การแยกตัวประกอบ เช่น RSA คีย์สาธารณะนั้นไม่ปลอดภัย การเข้ารหัสแบบแฮชและสมมาตร เช่น AES-256 และ 512 รวมถึง SHA-256 และ 512 นั้นค่อนข้างปลอดภัย

การประยุกต์ใช้กลศาสตร์ควอนตัมอื่น ๆ

แม้ว่าโลกของการคำนวณควอนตัมจะน่าตื่นเต้น แต่ก็ยังเป็นเพียงส่วนหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ปาร์ตี้ควอนตัมเพิ่งเริ่มต้นขึ้น

กลศาสตร์ควอนตัมเป็นเครื่องมือในการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ งานกำลังดำเนินการสำหรับเครือข่ายควอนตัมและการเข้ารหัส เช่น ID Quantique ผู้บุกเบิกการเข้ารหัสควอนตัมในสวิส นอกจากนี้ ปรากฏการณ์ควอนตัมยังแสดงให้เห็นอีกว่าสัญญาในสาขาการวิจัยมากมาย รวมถึงการสังเคราะห์ด้วยแสง ตัวรับกลิ่น และแม้แต่ความเข้าใจเรื่องเวลาของเรา

คอมพิวเตอร์ควอนตัมในโลกแห่งความเป็นจริง

มีคอมพิวเตอร์ควอนตัมและแอพพลิเคชั่นที่คล้ายกันมากมาย พวกเขามาจากบริษัทข้ามชาติขนาดใหญ่ เช่น Google และ IBM รวมถึงรัฐบาล และแม้แต่ผู้เล่นรายเล็กอย่าง Rigetti

การคำนวณควอนตัมเป็นหนึ่งในพื้นที่การวิจัยที่ร้อนแรงที่สุดในโลก ดังนั้นอาจมีโปรแกรมลับมากกว่าที่คุณจะจินตนาการได้ ด้านล่างนี้คือบางโครงการที่สำคัญ:

• Google เป็นเจ้าของเครื่อง 54-qubit และ 72-qubit
• IBM มีเครื่องจักรมากกว่า 30 เครื่องกระจายอยู่ทั่วโลก รวมถึงแมนฮัตตัน 65 บิต
• ประเทศจีนเป็นที่ตั้งของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจำนวนมาก รวมถึงเครื่อง 76 บิตและแม้แต่การสื่อสารผ่านดาวเทียมควอนตัม
• เครื่องที่ขับเคลื่อนด้วย Sycamore 54 บิตของ Google ใช้เวลาเพียง 200 วินาทีในการคำนวณว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ต้องใช้เวลา 10,000 ปีในการคำนวณอะไร
• IBM กำลังพัฒนาเครื่อง 1,000-qubit ภายในปี 2023
• Rigetti Computing เป็นเจ้าของสี่เครื่อง รวมถึงเครื่อง 31-qubit
• Google กำลังสร้างศูนย์ควอนตัมใหม่เพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ 1,000 คิวบิตภายในปี 2572 การแก้ไขข้อผิดพลาดแฟคตอริ่ง คิวบิตทั้งหมดของคอมพิวเตอร์นั้นอาจสูงถึง 1 ล้าน

บทสรุป

คอมพิวเตอร์ควอนตัมอยู่ที่นี่แล้ว เนื่องจากพวกเขาจะสร้างโอกาสมากมายและแก้ปัญหาในโลกแห่งความเป็นจริงที่คอมพิวเตอร์คลาสสิกต้องดิ้นรนมานานหลายทศวรรษ

อย่างไรก็ตาม ยังมีงานอีกมากที่ต้องทำและความท้าทายที่ต้องเอาชนะก่อนที่เราจะไปถึงที่นั่น จนกระทั่งถึงตอนนั้น จีนก็อาจทำให้โลกประหลาดใจได้