คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร? อธิบายยุคต่อไปของวิวัฒนาการทางคอมพิวเตอร์

เมื่อคุณบังเอิญเจอคำว่า "คอมพิวเตอร์ควอนตัม" เป็นครั้งแรก คุณอาจมองข้ามว่าเป็นแนวคิดเกี่ยวกับนิยายวิทยาศาสตร์ที่แพร่หลาย แทนที่จะเป็นข่าวสำคัญในปัจจุบัน

แต่ด้วยวลีที่ถูกโยนทิ้งไปพร้อมกับความถี่ที่เพิ่มขึ้น จึงเป็นที่เข้าใจได้ที่จะสงสัยว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร และเช่นเดียวกับที่เข้าใจได้ก็คือการสูญเสียที่จะดำดิ่งลงไปที่ใด ต่อไปนี้คือบทสรุปว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร เหตุใดจึงมีกระแสมากมายรอบตัวคอมพิวเตอร์เหล่านี้ และสิ่งเหล่านี้อาจมีความหมายต่อคุณอย่างไร

การคำนวณควอนตัมคืออะไร และทำงานอย่างไร

การประมวลผลทั้งหมดอาศัยบิต ซึ่งเป็นหน่วยข้อมูลที่เล็กที่สุดที่ถูกเข้ารหัสเป็นสถานะ “เปิด” หรือสถานะ “ปิด” หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า 1 หรือ 0 ในสื่อทางกายภาพบางตัวหรืออย่างอื่น

โดยส่วนใหญ่แล้ว จะใช้เวลาเพียงเล็กน้อยในรูปแบบทางกายภาพของสัญญาณไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ผ่านวงจรในเมนบอร์ดของคอมพิวเตอร์ ด้วยการรวมหลายบิตเข้าด้วยกัน เราสามารถนำเสนอสิ่งที่ซับซ้อนและมีประโยชน์มากขึ้น เช่น ข้อความ เพลง และอื่นๆ

ความแตกต่างที่สำคัญสองประการระหว่างบิตควอนตัมและบิต "คลาสสิก" (จากคอมพิวเตอร์ที่เราใช้ในปัจจุบัน) คือรูปแบบทางกายภาพที่บิตใช้ และลักษณะของข้อมูลที่เข้ารหัสในนั้นตามลำดับ บิตทางไฟฟ้าของคอมพิวเตอร์คลาสสิกสามารถมีอยู่ในสถานะเดียวเท่านั้นในแต่ละครั้ง ไม่ว่าจะเป็น 1 หรือ 0

ควอนตัมบิต (หรือ “คิวบิต”) ถูกสร้างขึ้นจากอนุภาคมูลฐานกล่าวคือโฟตอนหรืออิเล็กตรอนแต่ละตัว เนื่องจากอนุภาคมูลฐานเหล่านี้เป็นไปตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัมมากกว่ากลศาสตร์คลาสสิก จึงแสดงคุณสมบัติที่แปลกประหลาดของอนุภาคควอนตัม คุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดสำหรับนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์คือการซ้อนทับ นี่เป็นแนวคิดที่ว่าอนุภาคสามารถมีอยู่ได้ในหลายสถานะพร้อมกัน อย่างน้อยก็จนกว่าสถานะนั้นจะถูกวัดและยุบลงในสถานะเดียว ด้วยการควบคุมคุณสมบัติการซ้อนทับนี้ นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์สามารถทำได้ ทำให้ qubits เข้ารหัส 1 และ 0 ในเวลาเดียวกัน.

นิสัยแปลกทางกลควอนตัมอื่น ๆ ที่ทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมติ๊กคือการพัวพันซึ่งเป็นการเชื่อมโยงอนุภาคควอนตัมสองตัวหรือในกรณีนี้คือสองคิวบิต เมื่ออนุภาคทั้งสองพันกัน การเปลี่ยนแปลงสถานะของอนุภาคหนึ่งจะเปลี่ยนสถานะของอนุภาคใน วิธีที่คาดเดาได้ ซึ่งมีประโยชน์เมื่อถึงเวลาต้องได้รับคอมพิวเตอร์ควอนตัมมาคำนวณคำตอบของปัญหา คุณให้อาหารมัน

คิวบิตของคอมพิวเตอร์ควอนตัมเริ่มต้นในสถานะไฮบริด 1 และ 0 เมื่อคอมพิวเตอร์เริ่มประสบปัญหา เมื่อพบวิธีแก้ปัญหาแล้ว คิวบิตในการซ้อนทับจะยุบลงในทิศทางที่ถูกต้องของ 1 และ 0 ที่เสถียรสำหรับการส่งคืนโซลูชัน

ประโยชน์ของการคำนวณควอนตัมคืออะไร?

นอกเหนือจากข้อเท็จจริงที่ว่าพวกเขาอยู่ไกลเกินกว่าที่ทุกคนจะเอื้อมถึงได้ ยกเว้นทีมวิจัยชั้นยอดที่สุด (และน่าจะคงอยู่อย่างนั้นสักพักหนึ่ง) พวกเราส่วนใหญ่ไม่ค่อยได้ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมมากนัก พวกเขาไม่ได้ให้ข้อได้เปรียบเหนือคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกสำหรับงานประเภทที่เราทำบ่อยที่สุด

อย่างไรก็ตาม แม้แต่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์คลาสสิกที่น่าเกรงขามที่สุดก็ประสบปัญหาบางอย่างได้ยาก เนื่องจากความซับซ้อนในการคำนวณโดยธรรมชาติ เนื่องจากการคำนวณบางอย่างสามารถทำได้โดยใช้กำลังดุร้ายเท่านั้น คาดเดาจนกว่าจะพบคำตอบ พวกเขาลงเอยด้วยวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้มากมายจนต้องใช้เวลานับพันปีกว่าที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ทั่วโลกจะรวมกันเพื่อค้นหาวิธีที่ถูกต้อง

คุณสมบัติการซ้อนทับที่แสดงโดย qubits ช่วยให้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์สามารถลดเวลาในการคาดเดานี้ลงอย่างรวดเร็ว การคำนวณแบบลองผิดลองถูกที่ต้องใช้ความพยายามอย่างมากของ Classical Computing สามารถคาดเดาได้ครั้งละหนึ่งครั้งเท่านั้น ในขณะที่สถานะ 1 และ 0 คู่ของคิวบิตของคอมพิวเตอร์ควอนตัมช่วยให้สามารถคาดเดาได้หลายครั้งในเวลาเดียวกัน เวลา.

ดังนั้นปัญหาประเภทใดที่ต้องใช้การคำนวณแบบคาดเดาที่ใช้เวลานานทั้งหมดนี้? ตัวอย่างหนึ่งคือการจำลองโครงสร้างอะตอม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีปฏิกิริยาทางเคมีกับอะตอมอื่น ด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ขับเคลื่อนการสร้างแบบจำลองอะตอม นักวิจัยด้านวัสดุศาสตร์สามารถสร้างสารประกอบใหม่สำหรับใช้ในงานวิศวกรรมและการผลิต คอมพิวเตอร์ควอนตัมเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจำลองระบบที่ซับซ้อนคล้ายกัน เช่น กลไกตลาดทางเศรษฐกิจ พลศาสตร์ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ หรือรูปแบบการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิต และอื่นๆ อีกมากมาย

ท่ามกลางการใช้งานเทคโนโลยีเกิดใหม่ที่ไม่น่ารังเกียจเหล่านี้ แต่ก็ยังมีการใช้งานคอมพิวเตอร์ควอนตัมบางส่วนที่ทำให้เกิดข้อกังวลร้ายแรง ความเสียหายที่มีการอ้างถึงบ่อยที่สุดคือศักยภาพของคอมพิวเตอร์ควอนตัม ทำลายอัลกอริธึมการเข้ารหัสที่แข็งแกร่งที่สุดบางส่วนที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน.

ในมือของฝ่ายตรงข้ามรัฐบาลต่างประเทศที่ก้าวร้าว คอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจประนีประนอมในวงกว้าง ของการรับส่งข้อมูลทางอินเทอร์เน็ตที่ปลอดภัย ส่งผลให้การสื่อสารที่ละเอียดอ่อนอ่อนแอต่อการแพร่กระจาย การเฝ้าระวัง ขณะนี้งานกำลังดำเนินการเพื่อพัฒนาการเข้ารหัสลับตามการคำนวณที่ยังทำได้ยาก แม้แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมก็สามารถทำได้ แต่คอมพิวเตอร์เหล่านี้ยังไม่พร้อมสำหรับช่วงไพรม์ไทม์หรือมีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน

การคำนวณควอนตัมเป็นไปได้หรือไม่?

เมื่อประมาณหนึ่งทศวรรษที่แล้ว การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมจริง ๆ แทบจะไม่ยังอยู่ในขั้นเริ่มแรกเลย อย่างไรก็ตาม เริ่มต้นในปี 2010 การพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมต้นแบบที่ใช้งานได้เริ่มต้นขึ้น บริษัทจำนวนหนึ่งได้รวบรวมคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยที่ IBM ดำเนินการไปไกลถึงขั้นที่อนุญาตให้นักวิจัยและผู้ชื่นชอบงานอดิเรก รันโปรแกรมของตัวเองบนคลาวด์.

แม้ว่าบริษัทอย่าง IBM จะก้าวหน้าไปมากในการสร้างต้นแบบที่ใช้งานได้อย่างไม่ต้องสงสัย แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น ในปัจจุบัน คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทีมวิจัยได้สร้างขึ้นจนถึงขณะนี้จำเป็นต้องใช้ค่าใช้จ่ายจำนวนมากในการดำเนินการแก้ไขข้อผิดพลาด สำหรับทุก qubit ที่ทำการคำนวณจริง มีหลายโหลที่มีหน้าที่ชดเชยความผิดพลาดของตน ผลรวมของคิวบิตเหล่านี้ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า "คิวบิตเชิงตรรกะ"

เรื่องสั้นขนาดยาว ยักษ์ใหญ่ในวงการอุตสาหกรรมและวิชาการต่างนำคอมพิวเตอร์ควอนตัมมาใช้งานได้ แต่ก็ทำได้ไม่มีประสิทธิภาพมากนัก

ใครมีคอมพิวเตอร์ควอนตัม?

การแข่งขันที่รุนแรงระหว่างนักวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัมยังคงดุเดือดระหว่างผู้เล่นรายใหญ่และรายเล็ก ในบรรดาผู้ที่มีคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานอยู่นั้น ได้แก่บริษัทเทคโนโลยีที่มีอำนาจเหนือกว่าในอดีตอย่าง IBM, Intel, Microsoft และ Google

เนื่องจากการลงทุนที่เข้มงวดและมีค่าใช้จ่ายสูงเช่นเดียวกับการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม มีบริษัทขนาดเล็กและแม้แต่บริษัทสตาร์ทอัพจำนวนมากที่น่าประหลาดใจที่กำลังเผชิญกับความท้าทายนี้

ค่อนข้างจะผอม D-Wave Systems ได้กระตุ้นความก้าวหน้ามากมายในด้านนี้ และพิสูจน์ว่าไม่ได้เกิดจากความขัดแย้งด้วยการตอบประกาศสำคัญของ Google ด้วยข่าวก เรื่องใหญ่กับ Los Alamos National Labs. ถึงกระนั้น คู่แข่งรายเล็กอย่าง Rigetti Computing ก็กำลังแข่งขันกันเช่นกัน สถาปนาตัวเองเป็นผู้สร้างสรรค์นวัตกรรมคอมพิวเตอร์ควอนตัม.

คุณจะได้รับผู้นำที่แตกต่างกันสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ "ทรงพลังที่สุด" ขึ้นอยู่กับว่าคุณถามใคร Google ได้ทำกรณีนี้เมื่อเร็ว ๆ นี้ด้วย ความสำเร็จสูงสุดของควอนตัมซึ่งเป็นตัวชี้วัดที่ Google คิดค้นขึ้นมาไม่มากก็น้อย อำนาจสูงสุดของควอนตัมคือจุดที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประสิทธิภาพเหนือกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิกในการคำนวณบางอย่างเป็นครั้งแรก ต้นแบบ Sycamore ของ Google การติดตั้ง 54 คิวบิตสามารถทำลายกำแพงนั้นได้ด้วยการซิปผ่านปัญหาที่อยู่ด้านล่าง สามนาทีครึ่งที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์คลาสสิกที่ทรงพลังที่สุดใช้เวลาถึง 10,000 ปีในการปั่น ผ่าน.

เพื่อไม่ให้น้อยหน้า D-Wave ภูมิใจนำเสนอว่าอุปกรณ์ที่จะส่งมอบให้กับ Los Alamos ในไม่ช้าจะมีน้ำหนักอยู่ที่ 5,000 qubit ต่อชิ้น แม้ว่าควรสังเกตว่า คุณภาพของคิวบิตของ D-Wave เคยถูกตั้งคำถามมาก่อน. IBM ไม่ได้สร้างกระแสแบบเดียวกับ Google และ D-Wave ในช่วงสองสามปีที่ผ่านมา แต่ก็ยังไม่ควรถูกนับเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาถึงเส้นทางของพวกเขา บันทึกความสำเร็จที่ช้าและมั่นคง.

พูดง่ายๆ ก็คือการแข่งขันเพื่อชิงคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทรงพลังที่สุดในโลกนั้นเปิดกว้างอย่างที่ไม่เคยเป็นมาก่อน

คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะมาแทนที่คอมพิวเตอร์แบบเดิมหรือไม่

คำตอบสั้นๆ สำหรับเรื่องนี้คือ “ไม่จริง” อย่างน้อยก็ในอนาคตอันใกล้นี้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมต้องใช้อุปกรณ์จำนวนมหาศาล และสภาพแวดล้อมที่ได้รับการปรับแต่งมาเป็นอย่างดีจึงจะทำงานได้ สถาปัตยกรรมชั้นนำต้องการการทำความเย็นให้สูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เพียงไม่กี่องศา ซึ่งหมายความว่าไม่มีทางที่ผู้บริโภคทั่วไปจะเป็นเจ้าของได้จริง

แต่ในขณะที่การประมวลผลแบบคลาวด์ได้พิสูจน์ให้เห็นแล้ว คุณไม่จำเป็นต้องมีคอมพิวเตอร์เฉพาะทางเพื่อควบคุมความสามารถของมัน ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น IBM ได้เสนอโอกาสให้ผู้ชื่นชอบเทคโนโลยีผู้กล้าหาญสามารถรันโปรแกรมบนชุดย่อยเล็กๆ ได้แล้ว ควิบิตของ Q System One. เมื่อเวลาผ่านไป IBM และคู่แข่งมีแนวโน้มที่จะขายเวลาในการประมวลผลบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับผู้ที่สนใจนำไปประยุกต์ใช้กับปัญหาที่ไม่อาจเข้าใจได้

แต่ถ้าคุณไม่ได้ค้นคว้าเกี่ยวกับปัญหายุ่งยากเป็นพิเศษที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมมุ่งหวังที่จะแก้ไข คุณก็อาจจะไม่ค่อยโต้ตอบกับปัญหาเหล่านั้นมากนัก อันที่จริง คอมพิวเตอร์ควอนตัมในบางกรณีแย่กว่าในงานประเภทที่เราใช้คอมพิวเตอร์ทุกวัน เนื่องจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีความเชี่ยวชาญเป็นพิเศษมาก เว้นแต่คุณจะเป็นนักวิชาการที่ใช้การสร้างแบบจำลองประเภทที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมเจริญเติบโต คุณก็อาจจะไม่มีโอกาสได้สัมผัสและไม่จำเป็นต้องทำเช่นนั้นด้วย

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• GDDR7 คืออะไร? ทุกสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับ VRAM รุ่นถัดไป
• Intel คิดว่า CPU ตัวต่อไปของคุณต้องมีโปรเซสเซอร์ AI — นี่คือเหตุผล
• Surface Pro 10: นี่คือสิ่งที่คาดหวังได้จากเจเนอเรชันถัดไป
• ChatGPT เพิ่งเสียบเข้ากับอินเทอร์เน็ต จะเกิดอะไรขึ้นต่อไป?
• Mac Mini M2 ของ Apple ดีหรือไม่? นี่คือสิ่งที่รีวิวพูด