อธิบายคอมพิวเตอร์ควอนตัม: เมื่อคอมพิวเตอร์ฝ่าฝืนกฎฟิสิกส์

คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร และเหตุใดจึงฝ่าฝืนกฎ

คอมพิวเตอร์ทั่วไปประมวลผลข้อมูลโดยใช้บิต: ค่าที่เป็น 0 หรือ 1 เป็นทั้งหมดหรือไม่มีอะไรเลยโดยไม่มีจุดกึ่งกลาง คอมพิวเตอร์ 3 บิตแบบคลาสสิกสามารถประมวลผลค่าผสมของ 0 และ 1 ในแต่ละครั้ง อย่างไรก็ตาม คอมพิวเตอร์ควอนตัมทํางานร่วมกับ คิวบิต (ควอนตัมบิต) ซึ่งเป็นไปตามกฎที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากฟิสิกส์ที่เรารู้จัก

ความแตกต่างใหญ่คือในแนวคิดที่เรียกว่า การซ้อนทับ. คิวบิตสามารถเป็น 0 และ 1 พร้อมกันจนกว่าจะวัด ดูเหมือนว่าเป็นไปไม่ได้ใช่ไหม นั่นเป็นเหตุผลว่าทําไมมันถึงทําลายตรรกะคลาสสิก ในขณะที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปจําเป็นต้องทดสอบความเป็นไปได้แต่ละอย่างทีละรายการคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะสํารวจความเป็นไปได้หลายอย่างพร้อมกัน ด้วย 300 คิวบิตในการซ้อนทับคุณจะมีสถานะที่เป็นไปได้มากกว่าอะตอมที่มีอยู่ในจักรวาล

พลังการประมวลผลแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลนี้เป็นเหตุผลว่าทําไมบริษัทยักษ์ใหญ่อย่าง Google, IBM และ Microsoft จึงลงทุนหลายพันล้านในการวิจัยควอนตัม

เสาหลักของการคํานวณควอนตัม

การซ้อนทับ: อยู่ในสองแห่งในเวลาเดียวกัน

การซ้อนทับเป็นรากฐานที่ใช้งานง่ายที่สุดของการคํานวณควอนตัม เมื่อคุณวัดบิตคลาสสิกแล้วมันจะเป็น 0 หรือ 1 เมื่อคุณวัด qubit มันมีแนวโน้มที่จะพบที่ 0 หรือ 1 แต่ก่อนการวัดมันมีอยู่ในทั้งสองสถานะพร้อมกัน นี่ไม่ใช่ความไม่รู้เกี่ยวกับสิ่งที่ค่าที่แท้จริงคือ 0 หรือ 1 มันอยู่ในทั้งสองรัฐจริงๆ จนกระทั่งสังเกต

พฤติกรรมนี้แสดงให้เห็นในการทดลองกรีดคู่ที่มีชื่อเสียง: อนุภาคสามารถผ่านสองเส้นทางในครั้งเดียวรบกวนตัวเอง มันเป็นพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัมและคอมพิวเตอร์ควอนตัมสํารวจหลักการนี้อย่างแน่นอนยิ่งคิวบิตซ้อนทับมากเท่าใดพื้นที่ของความเป็นไปได้ที่สํารวจพร้อมกันก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

พัวพัน: ความสัมพันธ์ที่อธิบายไม่ได้ทันที

การพัวพัน (พัวพัน) นั้นแปลกยิ่งกว่าการซ้อนทับเมื่อคิวบิตสองตัวขึ้นไปพัวพันสถานะของอันหนึ่งจะส่งผลต่อสถานะของอีกอันหนึ่งทันทีไม่ว่าจะอยู่ห่างกันแค่ไหน ไอน์สไตน์เรียกมันว่า "การกระทําที่น่ากลัวในระยะไกล" และไม่เชื่อว่ามันเป็นเรื่องจริง

แต่มันเป็นเรื่องจริงและมันก็เป็นเช่นนั้น จําเป็นสําหรับพลังควอนตัมในคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่พันกัน การวัดคิวบิตจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับสหายของมัน ทําให้เกิดความสัมพันธ์ที่คอมพิวเตอร์คลาสสิกไม่สามารถทําซ้ําได้

การรบกวนควอนตัม: ขยายคําตอบที่ถูกต้อง

การรบกวนควอนตัมช่วยให้อัลกอริธึมควอนตัมขยายความน่าจะเป็นของคําตอบที่ถูกต้องและยกเลิกคําตอบที่ไม่ถูกต้องมันเหมือนกับการปรับคลื่นเพื่อให้สันเขา (คําตอบที่ถูกต้อง) สูงและหุบเขา (คําตอบที่ผิด) หายไป หากไม่มีการจัดการความน่าจะเป็นนี้การอ่านคําตอบที่ถูกต้องจาก qubit จะเป็นเพียงแค่เรื่องของโชค

คอมพิวเตอร์ควอนตัมทํางานอย่างไรในทางปฏิบัติ

คอมพิวเตอร์ควอนตัมทางกายภาพมีความละเอียดอ่อนอย่างยิ่ง Qubits มักจะเป็นอะตอมโฟตอนหรืออิเล็กตรอนที่ติดอยู่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรง การรบกวนใด ๆ ต่อความร้อนการสั่นสะเทือนการแผ่รังสีและการแผ่รังสีจะทําลายการซ้อนทับดังนั้นคอมพิวเตอร์ควอนตัมส่วนใหญ่จึงทํางานในสภาพแวดล้อมควอนตัม อุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์, ประมาณ -273°C

การประมวลผลตามขั้นตอนที่ชัดเจน: บูตสแตรป (การเตรียมคิวบิตในการซ้อนทับ) และ การดําเนินการ (ใช้พอร์ตควอนตัมที่จัดการคิวบิต) หรือ พัวพัน (การเชื่อมต่อคิวบิตเพื่อสร้างความสัมพันธ์) และ การวัด (รับผลลัพธ์ซึ่งจะยุบการซ้อนทับด้วย 0 หรือ 1) ความท้าทายคือการทําให้คิวบิตมีเสถียรภาพตลอดเวลาเนื่องจากข้อผิดพลาดใด ๆ จะทําให้การคํานวณลดลง

ปัจจุบันคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทันสมัยที่สุดมีคิวบิตระหว่าง 50 ถึง 433 คิวบิต IBM ถึง 433 คิวบิตในปี 2565 แต่พวกเขายังคงเผชิญกับอัตราข้อผิดพลาดสูง ในการแก้ปัญหาในโลกแห่งความเป็นจริงจะต้องเข้าถึงคิวบิตเชิงตรรกะนับล้านและลดข้อผิดพลาดลงอย่างมาก 'อาจเป็นทศวรรษหรือมากกว่านั้นของการวิจัย

ปัญหา คอมพิวเตอร์ควอนตัม สามารถแก้ได้

สําหรับงานในชีวิตประจําวันเช่นท่องอินเทอร์เน็ตหรือแก้ไขเอกสารคอมพิวเตอร์คลาสสิกจะยังคงเหมาะ แต่มีฟิลด์เฉพาะที่ qubits มีข้อได้เปรียบแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล

การเข้ารหัสและความปลอดภัย: คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทําลายระบบการเข้ารหัสส่วนใหญ่ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันได้ภายในไม่กี่นาที สิ่งนี้นําไปสู่การพัฒนาการเข้ารหัสหลังควอนตัม ซึ่งเป็นอัลกอริธึมที่ต้านทานทั้งคอมพิวเตอร์คลาสสิกและควอนตัม

การจําลองระดับโมเลกุล: การจําลองโมเลกุลที่ซับซ้อนเป็นหนึ่งในการใช้ที่มีแนวโน้มมากที่สุด การพัฒนายาปุ๋ยหรือวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเฉพาะเกี่ยวข้องกับการทดสอบการรวมกันนับพันล้านเครื่องคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทําได้เร็วขึ้นอย่างมากซึ่งอาจเร่งการค้นพบทางการแพทย์

การเพิ่มประสิทธิภาพ: ปัญหาต่างๆ เช่น การค้นหาเส้นทางที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในเครือข่ายการจัดจําหน่าย การเพิ่มประสิทธิภาพพอร์ตการลงทุน หรือการกําหนดเวลาทรัพยากรหลายร้อยรายการ สามารถแก้ไขได้เร็วขึ้นในอัลกอริธึมควอนตัม เช่น QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm)

การเรียนรู้ของเครื่อง: อัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องบางอย่างสามารถเร่งได้ในเชิงปริมาณ โมเดลการฝึกอบรมที่มีพารามิเตอร์หลายพันล้านตัวมีราคาแพงในการคํานวณ การใช้งานควอนตัมสามารถลดต้นทุนนี้ได้อย่างมาก

ความท้าทายในปัจจุบันและหนทางสู่อนาคต

ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดคือ การแยกส่วน: qubits ซ้อนทับได้อย่างรวดเร็วสูญเสียสถานะควอนตัมของพวกเขาเมื่อสัมผัสกับการรบกวน qubit ทั่วไปจะรักษาตําแหน่งซ้อนทับเพียงไมโครวินาทีก่อนที่จะยุบตัว ในเวลานั้นคอมพิวเตอร์จําเป็นต้องดําเนินการหลายพันล้านครั้ง

ปัญหาอีกประการหนึ่งคือ การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมซึ่งแตกต่างจากบิตคลาสสิกคุณไม่สามารถเพียงแค่คัดลอก qubit เพื่อตรวจสอบค่าของมันในขณะที่การวัดทําลายมัน คุณจะต้องสร้างระบบที่มีความซ้ําซ้อนควอนตัมโดยใช้หลาย qubits ทางกายภาพเพื่อปกป้อง qubit ตรรกะเดียว ประมาณว่า 1000 qubits ทางกายภาพเป็นสิ่งจําเป็นสําหรับแต่ละ qubit ตรรกะที่เชื่อถือได้

แม้จะมีความท้าทายเหล่านี้ความคืบหน้าเร่ง คอมพิวเตอร์ควอนตัมคลาวด์มีอยู่แล้ว & IBM ให้การเข้าถึงระบบของพวกเขาฟรีผ่านแพลตฟอร์ม Qiskit นักวิจัยทั่วโลกกําลังทดสอบอัลกอริธึมและเทคนิคการกลั่นคาดว่าในทศวรรษหน้าเราจะได้เห็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องแรกที่มีความสามารถในทางปฏิบัติในการแก้ปัญหาที่แท้จริงในอุตสาหกรรมต่างๆเช่นยาการเงินและพลังงาน

ผลกระทบในอนาคตของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

เมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมเติบโตเต็มที่ มันจะเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมทั้งหมด ในด้านการดูแลสุขภาพ การพัฒนายาจะถูกเร่งจากหลายปีเป็นเดือน ในด้านพลังงาน การเพิ่มประสิทธิภาพของแผงโซลาร์เซลล์และแบตเตอรี่อาจนําไปสู่เทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ในด้านปัญญาประดิษฐ์ โครงข่ายประสาทเทียมที่ซับซ้อนและทรงพลังยิ่งขึ้นจะทํางานได้

แต่ยังมีความเสี่ยง: การทําลายการเข้ารหัสแบบดั้งเดิมเป็นภัยคุกคามที่แท้จริง รัฐบาลและ บริษัท ต่างๆกําลังอพยพไปยังมาตรฐานการเข้ารหัสที่ทนทานต่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมแล้ว นอกจากนี้การคํานวณควอนตัมจะขยายความไม่เท่าเทียมกัน

สิ่งที่แน่นอนคือเราอยู่ในช่วงเวลาแห่งประวัติศาสตร์เรากําลังเห็นการเปลี่ยนแปลงจากภาพลวงตาทางทฤษฎีไปสู่ความเป็นจริงทางเทคโนโลยี คอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ได้ฝ่าฝืนกฎของฟิสิกส์อันที่จริงในที่สุดพวกเขาก็ใช้ประโยชน์จากพวกเขาอย่างเหมาะสม การเรียนรู้กลศาสตร์ควอนตัมเพื่อประมวลผลข้อมูลเป็นหนึ่งในความสําเร็จทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่มนุษยชาติสามารถทําได้และการปฏิวัติครั้งนี้เพิ่งเริ่มต้น