Highlights
- คอมพิวเตอร์แบบทั่วไป vs ควอนตัมคอมพิวเตอร์
- หลักการทำงานของหัวใจหลักของควอนตัมคอมพิวเตอร์
คอมพิวเตอร์แบบทั่วไป vs ควอนตัมคอมพิวเตอร์
1. คอมพิวเตอร์แบบทั่วไปเป็นอย่างไร :
คงเป็นเรื่องที่ปฏิเสธไม่ได้ในโลกแห่งการติดต่อสื่อสาร ว่าแทบทุกคนจะมีมือถือ และแทบทุกบ้านจะต้องมีคอมพิวเตอร์พกพา แต่จะมีสักกี่คนที่ทราบที่มาของเทคโนโลยีเหล่านี้ นับวันขนาดของคอมพิวเตอร์ค่อย ๆ เล็กลงเรื่อย ๆ ในขณะที่ประสิทธิภาพค่อย ๆ เพิ่มขึ้น ทั้งหมดทั้งมวลต้องขอบคุณทฤษฎีพื้นฐานอย่างกลศาสตร์ควอนตัมที่มีส่วนสำคัญในการย่อขนาดเทคโนโลยีให้อยู่ในกำมือของเราได้ เราทราบดีว่าการทำงานของคอมพิวเตอร์ที่เราใช้นั้นนอกจากจะมีความเร็วสูงแล้วความผิดพลาดแทบไม่มีด้วยซ้ำ แต่เราจะได้ยินในช่วงหลัง ๆ นี้ว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์จะมาแทนที่คอมพิวเตอร์ปัจจุบัน บางคนคงสงสัยว่าแล้วปัจจุบันคอมพิวเตอร์ที่เราใช้ ยังไม่เป็นควอนตัมคอมพิวเตอร์อีกเหรอ และคอมพิวเตอร์แบบใหม่จะมีอะไรดีมาทดแทนของปัจจุบันนี้ล่ะ
2. ทำไมต้องควอนตัมคอมพิวเตอร์ ดีกว่าอย่างไร :
เพื่อไขข้องใจตรงนี้เรามาทำความเข้าใจกันก่อนว่า คอมพิวเตอร์ที่เราใช้กันมีหน่วยเก็บข้อมูลย่อย เรียกว่า บิตส์ (bits) ซึ่งจะเก็บข้อมูลไม่เลข 0 ก็ 1 (เลขฐานสอง) แน่นอนว่าความพยายามในการลดขนาดและเพิ่มความเร็วของการคำนวณในคอมพิวเตอร์ปัจจุบันกำลังจะมาถึงจุดสูงสุดของเทคโนโลยีนี้แล้ว ยกตัวอย่างเช่น การส่งข้อมูลในฮาร์ดดิสก์คือการส่งสัญญาณอิเล็กตรอนจากที่นึงไปอีกที่นึง หากเราทำการลดขนาดของฮาร์ดดิสก์ระยะทางก็จะลดลงด้วย ทำให้การประมวลผลเร็วขึ้น แต่ขนาดของฮาร์ดดิสก์ไม่อาจถูกบีบไปมากกว่าระยะนึงได้เนื่องจากผลของ quantum tunneling ที่จะทำให้ข้อมูลเกิดการสูญหาย แต่การมาถึงของควอนตัมคอมพิวเตอร์นั้นจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานให้นอกจากความเร็วจะเพิ่มขึ้นอย่างมหาศาลแล้วนั้นยังสามารถถูกนำไปใช้แก้โจทย์ปัญหาซับซ้อนที่คอมพิวเตอร์ปัจจุบันไม่สามารถแก้ได้ ยกตัวอย่าง เช่น การศึกษาความผันผวนของหุ้นในตลาดหลักทรัพย์ การพยากรณ์สภาวะโลกร้อนอย่างแม่นยำ การแก้ปัญหาการสั่นของโมเลกุลโปรตีน การแก้ปัญหาความโน้มถ่วงของสมการสนามของไอสไตน์ เป็นต้น
หลักการทำงานของหัวใจหลักของควอนตัมคอมพิวเตอร์
1. หน่วยเก็บข้อมูลย่อยของควอนตัมคอมพิวเตอร์ (Qubits) :
ทีนี้เรามาดูว่าแนวคิดของควอนตัมคอมพิวเตอร์จะมาแก้ปัญหาเรื่องความเร็วอย่างไร อย่างแรก ในเมื่อแก้ปัญหาที่ขนาดวงจรไม่ได้ ก็ไปแก้ที่ตัวเก็บข้อมูลอย่างบิตส์ไปเลย โดยเราจะใช้คุณสมบัติที่น่าฉงน อันนึงของ กลศาสตร์ควอนตัมนั่นคือ กฎความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg’s Uncertainty principle) ในการสร้างหน่วยเก็บข้อมูลย่อยเชิงควอนตัม ถูกเรียกว่า คิวบิตส์ (qubits) เพื่อให้เห็นภาพของหลักการดังกล่าว บิตส์ในคอมพิวเตอร์ปัจจุบันจะเก็บข้อมูลไม่ 0 ก็ 1 แต่ในคิวบิตส์นั้น มันจะสามารถเก็บสถานะของคำตอบได้ทั้งสองอันในเวลาเดียวกัน หรือตีความได้ว่า สถานะทางควอนตัมของคิวบิตส์เป็นได้ทั้ง 0 และ 1 ในเวลาเดียวกัน ตามหลักการ linear superposition แต่ด้วยการตรวจวัด สถานะของคิวบิตส์จะให้ออกมาเป็นไม่ 0 ก็ 1 ในท้ายที่สุด ดังนั้นไม่ต้องกลัวว่าการอ่านค่าจะนำไปสู่ค่าอื่นใดที่ไม่สามารถตีความได้
2. ทำไมต้องใช้ Quantum Entanglement เข้ามา
ด้วยความซับซ้อนของคิวบิตส์ที่เป็นไปได้ทั้ง 0 และ 1 ตลอดเวลา เราก็ต้องหาวิธีการเข้าไปควบคุมจัดการการเปลี่ยนแปลงของคิวบิตส์ และเทคนิคนั้นก็คือ quantum entanglement ที่จะทำให้สถานะทางควอนตัมของคิวบิตส์อันนึง (ยกตัวอย่างเช่น ค่าสปินหรือประจุไฟฟ้า) เปลี่ยนแปลงตามสถานะของอีกคิวบิตส์นึงแบบทันที เพื่อเป็นการไม่ให้คิวบิตส์เปลี่ยนแปลงสถานะตามใจชอบและทำให้เราหลุดการควบคุมไปในที่สุด ตรงนี้จะมาแก้ปัญหาเรื่องความเร็วได้ นั่นเพราะเราไม่ได้ใช้อิเล็กตรอนในการส่งผ่านข้อมูลแบบที่ฮาร์ดดิสก์ปกติทำแล้ว ข้อมูลสามารถถูกเปลี่ยนได้ทันทีจาก entanglement แม้สองคิวบิตส์จะอยู่ห่างเพียงใดก็ตาม
3. ปัญหาในการพัฒนาควอนตัมคอมพิวเตอร์
คอมพิวเตอร์ที่เราใช้ในปัจจุบันได้ชื่อว่าเป็นเครื่องคำนวณที่น่าเชื่อถือ ทำงานไว และยังสามารถเก็บข้อมูลขนาดใหญ่ได้ ในขณะที่เทคโนโลยีของควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่เราทำได้ในขณะนี้มีการตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อมมากเกินไปนั่นส่งผลต่อการเสถียรภาพของข้อมูลที่ถูกบรรจุในระยะยาว อีกปัญหานึงที่ต้องแก้ไปควบคู่กันเลยก็คือการทำ error correction ซึ่งจะทำให้เราสามารถวัดความผิดพลาดและแก้ไขผ่าน quantum algorithm เพื่อจำกัดข้อผิดพลาดจากการวัดค่าในคิวบิตส์
อีกปัญหาหนึ่งเรื่องการพัฒนาควอนตัมคอมพิวเตอร์คือความเข้าใจขีดจำกัดของการพัฒนา แน่นอนว่าเราทุกคนต้องเคยได้ยินว่าการทำงานของควอนตัมคอมพิวเตอร์นั้นรวดเร็วกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไปหลาย พัน หมื่น หรือแสนเท่า ด้วยซ้ำ และมันอาจจะถูกนำไปใช้ในการเจาะระบบเพราะการที่มันทำงานด้วยความเร็วสูงนี่เองจะทำให้คอมพิวเตอร์ปัจจุบันตกรุ่น เรื่องความกลัวนี้นี่เองที่ส่งผลเสียต่อการพัฒนา เพราะอันที่จริงแล้วนั้น ควอนตัมคอมพิวเตอร์ถูกออกแบบมาให้แก้ปัญหาเฉพาะทางที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปไม่สามารถแก้ได้ ยกตัวอย่างเช่น การแก้สมการที่ซับซ้อนอย่างเช่น ปัญหาในทางวิทยาศาสตร์ (การแก้สมการสนามของไอสไตน์ การแก้ปัญหาการสั่นของโมเลกุลซับซ้อนอย่างโปรตีนหรือสารสังเคราะห์) การแก้ปัญหาทางสิ่งแวดล้อม (การทำนายอุณหภูมิที่สูงขึ้นของโลกจากปรากฏการณ์โลกร้อน) การแก้ปัญหาทางเศรษฐศาสตร์ (การวิเคราะห์หุ้น การคาดคะเนระบบเศรษฐกิจในระยะ 5 – 100 ปี) เป็นต้น ดังนั้นต่อให้เราได้ควอนตัมคอมพิวเตอร์มาก็ไม่ได้แปลว่ามันจะสามารถต่อสายตรงเข้ากับคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันแล้วทำการได้อย่างที่เราเคยได้ยินมา เนื่องจากหลักการทำงานของ hardware ของทั้งสองอย่างก็ต่างกันแล้ว การเชื่อมต่อการทำงานของเทคโนโลยีสองอันแทบจะเป็นไปไม่ได้ เปรียบเสมือนกับเรากำลังเอาเตาอบไอน้ำ ไปเทียบกับ เตาไมโครเวฟ ซึ่งจะมีจุดดีจุดเสียต่างกันและขึ้นกับการนำไปใช้งานนั่นเอง
พูดคุยท้ายบทความ
โดยสรุป การพัฒนาส่วนของ qubits ต้องใช้ความรู้เรื่อง linear superposition และ quantum entanglement หากผู้อ่านยังสนใจในเรื่องนี้ ในครั้งต่อไปเราจะมีการพูดถึงวิธีการสร้าง qubits ขึ้นมา ในฐานะนักฟิสิกส์ก็จะขอมาแลกเปลี่ยนเรื่องราวแปลก ๆ แบบนี้ไปเรื่อย ๆ หวังว่าจะชอบกันนะครับ หากใครมีเรื่องราวทางฟิสิกส์หรือวิทยาศาสตร์ด้านต่าง ๆ ที่อยากจะถามหรืออยากแชร์ ก็ส่งกันเข้ามาได้เรื่อย ๆ แล้วพวกเราจะไปหาความรู้มาเล่าให้ท่านได้อ่านต่อในเพจ The Principia กันครับ
อ้างอิงจาก :
Quantum Breakthrough: How To Transform Vacancies Into Quantum Information
