คอมพิวเตอร์ควอนตัม: ความหมาย ข้อดี และอื่นๆ

ควอนตัม การคำนวณ คือการนำหลักการกลศาสตร์ควอนตัมมาใช้ในการคำนวณ ปรากฏการณ์พื้นฐานที่ใช้ที่นี่ ได้แก่ สิ่งกีดขวาง และ การทับซ้อน.

แม้ว่าการคำนวณด้วยควอนตัมจะเป็นคำศัพท์ใหม่ แต่กลศาสตร์ควอนตัมมีมานานกว่านั้นมากแล้ว กลศาสตร์ควอนตัมมีส่วนสำคัญในการพัฒนาอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และยังให้คำตอบต่อปริศนาต่างๆ มากมายของมนุษยชาติอีกด้วย

กลศาสตร์ควอนตัมเน้นที่การทำงานของอะตอมและอนุภาคย่อยอะตอม ในขณะที่คำว่าควอนตัมหมายถึงอนุภาคที่เล็กที่สุดที่อนุภาคสามารถทำงานด้วยได้ นั่นคือองค์ประกอบพื้นฐานที่สุดของวัตถุทางกายภาพใดๆ

นับตั้งแต่มักซ์ พลังค์ ไปจนถึง อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นีลส์ โบร์ และเออร์วิน ชเรอดิงเงอร์ นักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่มากมายต่างมีส่วนร่วมในการพัฒนาของกลศาสตร์ควอนตัมและในที่สุดก็มาบรรจบกันที่การแข่งขันการคำนวณด้วยควอนตัม ซึ่งเป็นหนึ่งในการแข่งขันทางเทคโนโลยีที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในยุคของเรา

โพสต์นี้จะพาคุณเข้าสู่โลกแห่งเวทย์มนตร์ของปรากฏการณ์ควอนตัม แสดงวิธีการสร้างคอมพิวเตอร์จากปรากฏการณ์ควอนตัม และสำรวจสาขาที่เกี่ยวข้อง

การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล

ปรากฏการณ์ควอนตัมท้าทายความเข้าใจแบบเดิมและทำงานบนเงื่อนไขที่ต่างไปจากฟิสิกส์คลาสสิกอย่างสิ้นเชิง ดังนั้นในช่วงทศวรรษปี 1930 ไอน์สไตน์จึงใช้คำว่า "การกระทำอันน่าขนลุกในระยะไกล" เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ของการพันกันของควอนตัมและสาเหตุที่ปรากฏการณ์นี้ไม่สอดคล้องกับวิทยาศาสตร์แบบเดิม

การพันกันของควอนตัมไม่ใช่เรื่องใหม่ หากคุณสร้างอนุภาคสองอนุภาคในสถานที่และช่วงเวลาเดียวกัน อนุภาคทั้งสองจะพันกัน กล่าวคือ สิ่งใดก็ตามที่เกิดขึ้นกับอนุภาคหนึ่ง จะส่งผลต่ออีกอนุภาคหนึ่งด้วย

มันเหมือนกับการตกหลุมรักและรับสายทุกครั้งที่คุณนึกถึงคนรักของคุณ หรือโทรไปและได้ยินว่า “ฉันกำลังจะโทรหาคุณ” ฝาแฝดเหมือนกันก็มักจะล้มป่วยในเวลาเดียวกันเช่นกัน

ส่วนที่น่ากลัวที่สุดของการพันกันของควอนตัมคือคุณสามารถนำอนุภาคที่พันกันตัวหนึ่งไปให้ไกลได้ และไม่ว่าคุณจะอยู่ภายใต้เงื่อนไขใด อนุภาคตัวที่สองก็จะได้รับผลกระทบทันที แม้จะอยู่ห่างออกไปครึ่งกาแล็กซีก็ตาม

คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้คุณสมบัตินี้เพื่อจัดเก็บข้อมูลจำนวนมหาศาลบนอนุภาคหลายอนุภาคพร้อมกัน อนุภาคเหล่านี้เรียกว่าคิวบิตหรือควอนตัมบิต แต่ก่อนอื่นมาดูปรากฏการณ์ทางกลควอนตัมประการที่สองกันก่อน

เออร์วิน ชเรอดิงเงอร์และแมวของเขา

นักวิจัยควอนตัมในยุคแรกอีกคนหนึ่งคือ เออร์วิน ชเรอดิงเงอร์ นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย ซึ่งเช่นเดียวกับอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ มองว่าปรากฏการณ์ควอนตัมบางส่วนนั้นไร้สาระ ดังนั้น เขาจึงเสนอการทดลองทางความคิดที่โด่งดังในปัจจุบันที่เรียกว่า "แมวของชเรอดิงเงอร์" เพื่อสร้างภาพความขัดแย้งของการซ้อนทับของควอนตัม

การทดลองนี้ระบุว่า หากคุณใส่แมวและสิ่งที่สามารถฆ่าแมวได้ลงในกล่องและปิดผนึกไว้ คุณจะไม่รู้ว่าแมวนั้นตายหรือยังมีชีวิตอยู่จนกว่าคุณจะเปิดกล่องนั้น ดังนั้น ตามหลักตรรกะแล้ว แมวทั้งตายและยังมีชีวิตอยู่จนกว่าคุณจะเปิดกล่องนั้น

ปรากฏการณ์ซูเปอร์โพซิชันเป็นปรากฏการณ์ที่สองที่ทำให้การคำนวณด้วยควอนตัมเป็นไปได้ คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกทำงานกับบิตข้อมูลที่สามารถแสดงค่า 1 หรือ 0 ในเวลาใดก็ได้ ในขณะที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานกับคิวบิต (บิตควอนตัม) ที่สามารถแสดงค่า 0 และ 1 ได้ในเวลาเดียวกัน เช่นเดียวกับแมวที่ตายไปแล้วและยังมีชีวิตอยู่

นี่คือการพิจารณาคิวบิตแบบใกล้ชิดยิ่งขึ้น

บิตเทียบกับคิวบิต

คิวบิตเป็นสิ่งที่ทำให้การคำนวณแบบควอนตัมเป็นไปได้ คิวบิตซึ่งเรียกอีกอย่างว่าบิตควอนตัมหรือคิวบิต เป็นหน่วยพลังงานที่เล็กที่สุดที่คุณสามารถจัดการเพื่อบันทึกและดึงข้อมูลออกมาได้

บิตคอมพิวเตอร์ปกติสามารถเป็น 0 หรือ 1 ได้ในเวลาใดเวลาหนึ่งเท่านั้น ในขณะที่บิตควอนตัมสามารถเป็นทั้งสองอย่างได้ในเวลาเดียวกัน ดังนั้น บิตปกติสองบิตจึงสามารถเก็บค่า 00, 01, 10 และ 11 ได้ในเวลาใดเวลาหนึ่ง แต่บิตควอนตัมสองบิตสามารถเก็บทั้งสี่สถานะได้ในเวลาเดียวกัน ซึ่งหมายความว่ารอบการประมวลผลเร็วขึ้น 4 เท่า

ด้วยบิตปกติ 3 บิต คุณสามารถรับ 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 และ 111 ได้ตลอดเวลา แต่คิวบิต 3 ตัวจะเก็บสถานะทั้ง 8 สถานะพร้อมกัน ทำให้รอบการประมวลผลเร็วขึ้น XNUMX เท่า ดังที่คุณเห็น ความสัมพันธ์นี้เป็นแบบเลขชี้กำลัง ดังนั้นบิตเพิ่มเติมแต่ละบิตจะเพิ่มปริมาณข้อมูลที่มีเป็นสองเท่า

ดังนั้น ด้วยคิวบิต 5 ตัว คุณจะเห็นสถานะพร้อมกัน 32 สถานะ โดยมีคิวบิต 10 ตัว นั่นหมายความว่ามีสถานะมากกว่า 1,000 สถานะ และหากมีคิวบิต 20 ตัว นั่นหมายความว่ามีสถานะมากกว่าหนึ่งล้านสถานะ ลองพิจารณาว่ามีสถานะกี่สถานะ คอมพิวเตอร์ควอนตัม 1,000 คิวบิต ซึ่ง IBM และ Google กำลังพัฒนาอยู่สามารถดำเนินการพร้อมๆ กัน

คุณสามารถสร้างคิวบิตได้จาก โฟตอน, อิเล็กตรอน, นิวเคลียสอะตอม, จุดควอนตัม, ตัวนำยิ่งยวดและการนำไปใช้งานอื่นๆ เป้าหมายคือการสร้างชุดบิตควอนตัมของพลังงานที่เสถียรซึ่งคุณสามารถตั้งค่าและวัดได้ตามต้องการ

ข้อดีของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ข้อได้เปรียบหลักของการคำนวณแบบควอนตัมคือผลลัพธ์ทันทีจากปัญหาที่ซับซ้อน ซึ่งส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นในสถานการณ์ที่คุณต้องเลือกคำตอบที่ถูกต้องจากความเป็นไปได้มากมาย ซึ่งทำให้การคำนวณแบบควอนตัมเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแยกตัวประกอบของตัวเลข การจำลองขนาดใหญ่ และการจดจำรูปแบบในปัญญาประดิษฐ์

แนวทางมาตรฐานสำหรับคอมพิวเตอร์คลาสสิกคือการตรวจสอบความเป็นไปได้ทั้งหมดจนกว่าคุณจะพบสิ่งที่คุณกำลังมองหา การค้นหานี้มักเรียกว่าการงมเข็มในมหาสมุทร ระยะเวลาในการดำเนินการนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณทะเลหรือบันทึกที่คุณต้องคัดแยก และขึ้นอยู่กับความเร็วของเครื่องของคุณ

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ทำให้ปัญหาเหล่านี้ง่ายขึ้นโดยเพิ่มความเร็วในการตรวจสอบความเป็นไปได้แต่ละอย่าง ในทางกลับกัน คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถสร้างความเป็นไปได้ทั้งหมดได้พร้อมกันหากมีคิวบิตเพียงพอ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมคอมพิวเตอร์ควอนตัมจึงสามารถคำนวณปัญหาได้ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง ในขณะที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปต้องใช้เวลาหลายร้อยถึงหลายพันปีในการคำนวณ

ปัญหาและข้อจำกัดของการคำนวณควอนตัม

แม้ว่าคุณจะสามารถวัดจำนวนบิตในคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกได้อย่างง่ายดาย แต่การวัดคิวบิตจะทำลายสถานะของคิวบิตและคิวบิตที่พันกัน

นอกจากนี้ บิตแบบคลาสสิกยังทำมาจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลากหลายชนิดที่จำเป็นต้องเก็บประจุ (1) หรือไม่เก็บประจุ (0) อย่างไรก็ตาม คิวบิตมีความซับซ้อนและใช้งานยากกว่ามาก นอกจากการแยกคิวบิตในเชิงพื้นที่แล้ว คุณยังต้องปกป้องคิวบิตจากการรบกวนจากสิ่งแวดล้อม เช่น อุณหภูมิและความผันผวนของไฟฟ้าสถิต เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อมเพียงเล็กน้อยดังกล่าวจะทำให้สถานะเหล่านี้เสียหายได้เช่นกัน

การสูญเสียความพันกันหรือความสมดุลของระบบนี้เรียกว่าการสูญเสียควอนตัม และเป็นปัญหาสำคัญที่นักวิจัยส่วนใหญ่กำลังพยายามแก้ไข ปัญหาร้ายแรงถึงขนาดที่เครื่อง 1,000 คิวบิตที่กำลังจะออกของ Google จะต้องใช้งานคิวบิตมากถึง 1,000 คิวบิตเพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดของคิวบิตแต่ละอัน ทำให้กลายเป็นเครื่องที่มีคิวบิต 1 ล้านตัว

นอกจากนี้ยังหมายความว่าคุณไม่สามารถจัดการคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้เหมือนกับแล็ปท็อปหรือสมาร์ทโฟน คอมพิวเตอร์ต้องมีสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการเพื่อรักษาระดับเสถียรภาพที่ปลอดภัยสำหรับคิวบิต

ข้อเสียอีกประการหนึ่งคือขอบเขตที่จำกัดของสิ่งที่เรียกว่าความเหนือกว่าเชิงควอนตัม เนื่องจากปัญหาการประมวลผลไม่ได้เกี่ยวข้องกับตัวเลขหรือความเป็นไปได้จำนวนมากเสมอไป ดังนั้น การเพิ่มขีดความสามารถในการประมวลผลในการดำเนินการอื่นๆ ส่วนใหญ่จึงไม่มีนัยสำคัญเพียงพอที่จะใช้แนวทางการประมวลผลด้วยควอนตัม และเว้นแต่ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะมีราคาถูกกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม คอมพิวเตอร์ควอนตัมก็จะไม่เข้ามาแทนที่ในเร็วๆ นี้เช่นกัน

แม้จะมีข้อเสียมากมายเหล่านี้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมและคิวบิตก็ยังมีศักยภาพอย่างมากในอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ เนื่องจากสามารถจัดการตัวเลขจำนวนมากได้อย่างง่ายดาย

คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีอันตรายหรือไม่?

ใช่ แฮกเกอร์ที่ดีทุกคนรู้ดีว่าเทคโนโลยีทุกอย่างล้วนมีช่องโหว่ คุณเพียงแค่ต้องค้นหาให้เจอ ดังนั้น ไม่ว่าการใช้งานคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคตจะเป็นอย่างไร เทคโนโลยีก็ยังคงมีปัญหาอยู่ดี และผู้ที่พร้อมจะใช้ประโยชน์จากปัญหาเหล่านี้

สถานการณ์นี้หมายถึงการใช้งานต่างๆ เช่น การธนาคาร การเงิน รัฐบาล และกิจกรรมสาธารณะอื่นๆ ที่คล้ายกัน สถานการณ์ที่สองคือเมื่อผู้กระทำความผิดใช้พลังอันน่าทึ่งของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ดีเพื่อทำสิ่งที่ต้องการ และเช่นเคย ผู้คนจะตระหนักถึงความเป็นไปได้ดังกล่าวหลังจากทำสิ่งใดๆ เสร็จเรียบร้อยแล้วเท่านั้น

การประมวลผลแบบควอนตัมนั้นใช้ตัวเลขได้ดี ดังนั้นอัลกอริทึมการเข้ารหัสแบบอสมมาตรที่ใช้การแยกตัวประกอบ เช่น RSA ที่ใช้คีย์สาธารณะ จึงไม่ปลอดภัย ในทางกลับกัน การแฮชและการเข้ารหัสแบบสมมาตร เช่น AES-256 และ 512 รวมถึง SHA-256 และ 512 ถือว่าค่อนข้างปลอดภัย

การประยุกต์ใช้อื่น ๆ ของกลศาสตร์ควอนตัม

แม้ว่าโลกของการคำนวณด้วยควอนตัมจะน่าตื่นเต้นแค่ไหน แต่มันก็เป็นเพียงส่วนหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ปาร์ตี้ควอนตัมเพิ่งจะเริ่มต้นขึ้นเท่านั้น

กลศาสตร์ควอนตัมมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ นอกจากนี้ ยังมีงานด้านเครือข่ายควอนตัมและการเข้ารหัส เช่น กลศาสตร์ควอนตัมที่ตั้งอยู่ในสวิตเซอร์แลนด์ ID Quantique ผู้บุกเบิกการเข้ารหัสควอนตัมนอกจากนี้ ปรากฏการณ์ควอนตัมยังแสดงให้เห็นถึงอนาคตที่ดีในสาขาการวิจัยต่างๆ มากมาย รวมถึงการสังเคราะห์แสง ตัวรับกลิ่น และแม้กระทั่ง ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับเวลา.

คอมพิวเตอร์ควอนตัมในโลกแห่งความเป็นจริง

มีคอมพิวเตอร์ควอนตัมและแอปพลิเคชันที่คล้ายคลึงกันมากมาย ซึ่งมาจากบริษัทข้ามชาติขนาดใหญ่ เช่น Google และ IBM รวมถึงรัฐบาลและแม้แต่ผู้เล่นรายเล็ก เช่น Rigetti

ปัจจุบันการคำนวณด้วยควอนตัมถือเป็นสาขาการวิจัยที่ได้รับความนิยมสูงสุดสาขาหนึ่งของโลก ดังนั้นอาจมีโครงการลับอีกมากมายที่คุณอาจจินตนาการได้ ด้านล่างนี้คือโครงการสำคัญบางส่วน:

• Google เป็นเจ้าของเครื่องจักร 54 คิวบิตและ 72 คิวบิต
• IBM เป็นเจ้าของเครื่องจักรมากกว่า 30 เครื่องที่กระจายอยู่ทั่วโลก รวมถึง Manhattan 65 คิวบิต
• ประเทศจีนเป็นที่ตั้งของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจำนวนมาก รวมถึงเครื่อง 76 คิวบิต และแม้แต่ระบบสื่อสารดาวเทียมควอนตัมด้วย
• เครื่อง 54 คิวบิตที่ขับเคลื่อนด้วย Sycamore ของ Google ใช้เวลาเพียง 200 วินาทีในการคำนวณสิ่งที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ต้องใช้เวลาในการคำนวณ 10,000 ปี
• IBM กำลังพัฒนาเครื่องจักรขนาด 1,000 คิวบิตภายในปี 2023
• Rigetti Computing เป็นเจ้าของสี่เครื่อง รวมถึงเครื่อง 31 คิวบิต
• Google กำลังสร้างศูนย์ควอนตัมแห่งใหม่เพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ที่มีคิวบิต 1,000 ตัวภายในปี 2029 เมื่อพิจารณาการแก้ไขข้อผิดพลาดแล้ว คิวบิตทั้งหมดของคอมพิวเตอร์เครื่องนี้จะสูงถึง 1 ล้านตัว

สรุป

คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะคงอยู่ต่อไป เพราะจะสร้างโอกาสมากมายและช่วยแก้ปัญหาในโลกแห่งความเป็นจริงที่คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมต้องดิ้นรนมาหลายทศวรรษ

อย่างไรก็ตาม ยังมีงานอีกมากที่ต้องทำและความท้าทายที่ต้องเอาชนะก่อนที่จะไปถึงจุดนั้น และจนกว่าจะถึงตอนนั้น จีนอาจสร้างความประหลาดใจให้กับโลกก็ได้