ประโยชน ของ ค วอน ต ม คอมพ วเตอร

เมื่อวันที่ 13 กุมภาพันธ์ ที่ผ่านมา ผู้เขียนได้มีโอกาสสัมภาษณ์ Dr. Pedram Roushan นักวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ควอนตัม จากกูเกิ้ล ขออนุญาตนำมาแบ่งปันกัน บทสัมภาษณ์นี้เป็นส่วนหนึ่งของหนังสือควอนตัมไอที ฉบับสาม โดย ECTI & IEEE ComSoc ประเทศไทย (เลขทะเบียน ISBN อยู่ระหว่างลงทะเบียน) โปรดติดตามฉบับเต็มที่ http://www.quantum-thai.org เร็วๆนี้

ถาม:ในช่วงเวลาไม่กี่ปีที่ผ่านมา ภาคอุตสาหกรรมทั่วโลก อาทิเช่น กูเกิ้ล, ไอบีเอ็ม, ไมโครซอร์ฟและอีกหลากหลายบริษัท ได้เข้ามาร่วมลงทุนในการพัฒนาสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม อย่างไรก็ตามความพยายามในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่ เพราะในช่วงยี่สิบปีที่ผ่านมานักฟิสิกส์ได้พัฒนาเทคนิคต่างๆขึ้นมาเพื่อการนี้อย่างต่อเนื่อง อาทิเช่น เทคโนโลยีวงจรตัวเหนี่ยวนำยวดยิ่งและเทคโนโลยีการกักขังอะตอม คิดว่าเพราะเหตุใดภาคอุตสาหกรรมถึงเพิ่งให้ความสนใจในช่วงเวลานี้

ตอบ: ผมคิดว่าในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาทั้งสองเทคโนโลยีที่คุณกล่าวถึงได้มีการพัฒนาขึ้นอย่างมีนัยสำคัญมาก และได้ก้าวข้ามปัญหาพื้นฐานอย่างเป็นระบบ ยกตัวอย่างเช่นในห้องแลปของเรา ปัจจุบันเราทราบวิธีการพัฒนาประสิทธิภาพการทำงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมต้นแบบของเราให้ดีขึ้น โดยอาศัยการพัฒนาวัสดุและระบบควบคุม

ในอดีตกูเกิ้ลได้ทำการสอบถามผู้เชี่ยวชาญในหลากหลายสาขา ก่อนที่จะสรุปว่าตอนนี้ถึงเวลาที่ควรสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมอย่างจริงจังแล้ว ถ้าคุณถามถึงความเห็นส่วนตัวของผม ผมก็เห็นด้วยว่าถึงเวลาแล้ว เพราะเทคโนโลยีที่เรามีอยู่ตอนนี้มีนัยสำคัญจริงๆ ตอนนี้เรามีทั้งเป้าหมายระยะสั้นและระยะยาว ซึ่งผมมองว่าเป็นอะไรที่เป็นไปได้มาก

ในขณะเดียวกัน เราต้องย้อนกลับมาดูด้วยว่า คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่เรากำลังพูดถึงนั้นคืออะไร เราไม่ได้พยายามที่จะแทนที่คอมพิวเตอร์ที่ใช้อยู่ทั่วไปหรือโทรศัพท์มือถือ แต่เรากำลังพูดถึงประสิทธิภาพและความเร็วที่เพิ่มขึ้นในการคำนวณงานบางอย่างเท่านั้น ซึ่งเป้าหมายเหล่านี้ไม่เกินเลยไปกว่าความเป็นจริงเลย นอกจากนั้นยังมีสิ่งที่เรียกว่า ดัชนีความพร้อมของเทคโนโลยี ( Technology Readiness Level ) ซึ่งบ่งว่าสองเทคโนโลยีที่คุณกล่าวถึงมีพร้อมมากกว่าเทคโนโลยีอย่างอื่นจริงๆ

ถาม: นักวิจารณ์บางท่านเชื่อว่าการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นเป็นไปได้ยาก เนื่องจากต้องมีระบบแก้ไขข้อผิดพลาด ( Error Correction ) ซึ่งต้องใช้คิวบิตหลายพันคิวบิตในการควมคุมหนึ่งคิวบิต คุณมีความเห็นว่าอย่างไร

ตอบ: สำหรับการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมอย่างสมบูรณ์ เราจำเป็นจะต้องมีระบบแก้ไขข้อผิดพลาดดังกล่าว นั่นอาจจะต้องใช้เวลาอีกหลายปี อย่างไรก็ตามเป้าหมายระยะสั้นที่เราวางไว้ อาทิเช่น อุตมภาพทางควอนตัม ( Quantum Supremacy ) และการใช้งานจริงบางอย่าง ยังไม่จำเป็นต้องใช้ระบบแก้ไขข้อผิดพลาด ส่วนการพัฒนาระบบแก้ไขข้อผิดพลาดนั้น เราจำเป็นต้องพัฒนาคิวบิตให้มีความเสถียรมากขึ้นราวเท่าตัว ซึ่งก็ไม่ใช่เรื่องที่เป็นไปไม่ได้ซะทีเดียว

ถาม: ต้องทำอย่างไรถึงจะไปสู่จุดนั้นได้

ตอบ: ต้องอาศัยเทคโนโลยีที่ก้าวหน้ามากขึ้น ที่กูเกิ้ลเราไม่ถูกจำกัดด้วยรูปแบบและข้อเรียกร้องทางวิชาการ ดังนั้นเราจึงสามารถใช้เวลาพัฒนาเทคโนโลยีที่ว่านั้นได้เต็มที่ เรามีทีมที่พัฒนาชุดอิเล็กทรอนิกส์ ทีมออกแบบวัสดุ ทีมออกแบบเครื่องทำความเย็น และอื่นๆอีกหลายหลายทีม ดังนั้นการพัฒนาเชิงอุตสาหกรรมใหม่ๆจึงเกิดขึ้นทุกวันในแลปของพวกเรา เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมาก

ถาม: เมื่อครู่คุณกล่าวถึงอุตมภาพทางควอนตัมว่าเป็นเป้าหมายระยะสั้นของกูเกิ้ล ขออนุญาตอธิบายเพิ่มเติม

ตอบ: อุตมภาพทางควอนตัมคือไอเดียที่เราจะแสดงให้เห็นว่า ถ้าเรามีระบบที่ประกอบไปด้วยคิวบิตเพียงไม่กี่สิบคิวบิตและไม่มีระบบแก้ไขข้อผิดพลาด เรายังสามารถใช้มันในการคำนวณปัญหาบางอย่างที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปไม่สามารถคำนวณได้ แม้กระทั่งซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดที่มีตอนนี้ก็ตาม นั่นก็เพราะคุณไม่สามารถเก็บข้อมูลจำนวนมหาศาลขนาดนั้นด้วยคอมพิวเตอร์แบบปกติได้ ในทางกลับกันสำหรับอุปกรณ์ของเรา คุณแค่ต้องใช้ไม่กี่ร้อยปุ่มในการควบคุมคิวบิตไม่กี่สิบคิวบิตนั้น

ทั้งนี้ เรายังสามารถวัดความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ของเราได้ด้วย ตัวอย่างเช่น สมมุติเรามีระบบที่ประกอบไปด้วยคิวบิต 50 คิวบิต เราสามารถปิดบางคิวบิตได้แล้วเช็คที่เหลือด้วยคอมพิวเตอร์ทั่วไป เช่น ที่ 10, 20 และ 30 คิวบิต ถ้าอุปกรณ์ของเราให้ผลตรงกับการคำนวณของคอมพิวเตอร์ทั่วไป เราก็เชื่อได้ระดับหนึ่งว่าอุปกรณ์ของเราทำงานได้ถูกต้อง จากนั้นเมื่อคุณเพิ่มคิวบิตเป็น 50 คิวบิต คอมพิวเตอร์ทั่วไปก็ไม่สามารถเช็คได้แล้ว

ถาม: ผมคิดว่านี่เป็นปัญหาทั่วไปของคอมพิวเตอร์ควอนตัม เพราะว่าเราไม่สามารถตรวจสอบผลการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์ทั่วไปได้

ตอบ: ถูกต้อง แต่เราสามารถคาดการณ์พฤติกรรมของมันได้ เราไม่ได้อ้างแค่ว่าเราได้สร้างระบบที่มีความซับซ้อนสูง ทุกคนสามารถสร้างระบบที่ซับซ้อนได้ คุณกำดินแล้วปาขึ้นไปบนอากาศ แค่นั้นก็ซับซ้อนแล้ว แต่หลักสำคัญอยู่ที่การสร้างอุปกรณ์ที่เราสามารถคาดการณ์พฤติกรรมได้

ถาม: เรื่องอุตมภาพทางควอมตัมนี้ ทางกูเกิ้ลมีการกำหนดระยะเวลาหรือไม่อย่างไร

ตอบ: เรามีระยะเวลาที่เราให้สัญญาไว้กับบริษัท อย่างไรก็ตามผู้บริหารของเราเข้าใจดีว่าเรากำลังทำวิจัยด้านฟิสิกส์ เพราะฉะนั้นมันเป็นไปได้ที่จะเจอปัญหาหรือข้อติดขัดบางอย่าง ตอนนี้ผมก็ยังไม่เห็นปัญหาที่ยากเกินไปนัก เรามีหลากหลายไอเดียที่จะแสดงศักยภาพของระบบของเรา ซึ่งผมเชื่อว่าไอเดียบางส่วนในนั้นจะสำเร็จภายในไม่กี่ปีนี้

ถาม: ถ้าให้มองย้อนกลับไปในอดีต คุณคิดว่ามีการพัฒนาหลักๆอะไรเกิดขึ้นบ้างที่ห้องแลปของคุณ

ตอบ: น่าเสียดายว่าห้องแลปของเราไม่เหมือนหนังฮอลลีวูด เราไม่มีการพัฒนาแบบก้าวกระโดด เพราะการพัฒนาใหม่ๆเกิดขึ้นทุกวัน ซึ่งมาจากน้ำพักน้ำแรงของทีมงานทุกคนที่ทำงานอย่างหนัก ตัวอย่างเช่น งานบางอย่างที่ผมต้องใช้เวลาทำหกเดือนเมื่อปีที่แล้ว ผมอาจต้องใช้เวลาแค่ไม่กี่อาทิตย์ถ้าให้ผมทำตอนนี้ ความเสถียรของคิวบิตที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องถือเป็นอีกหนึ่งปัจจัยหลัก ซึ่งเกิดขึ้นจากการพัฒนาในทุกด้าน แม้ในรายละเอียดเล็กๆน้อยๆ เรามีแม้กระทั่งสูตรการผลิตวงจรหรือระบบการทำความเย็น

ในช่วงเวลาไม่กี่ปีที่ผ่านมา เราได้พัฒนาคิวบิตรูปแบบใหม่ซึ่งเราเรียกว่า จีมอน ( Gmon ) รวมถึงวิธีการควบคุมมัน ปัจจุบันเรามีคิวบิตทั้งหมด 9 คิวบิต ซึ่งเมื่อสามปีที่แล้วเรานึกไม่ออกเลยว่าจะควบคุมมันอย่างไร ผมใช้เวลาอยู่หลายเดือนกว่าจะปรับค่าต่างๆของระบบให้เป็นมาตรฐานได้ แต่ถ้าให้ผมทำตอนนี้ ผมคิดว่าเวลาแค่อาทิตย์เดียวก็เพียงพอ นั่นคือเราเรียนรู้จากบทเรียนก่อนหน้าอย่างต่อเนื่อง

ถาม: ตอนนี้ที่แลปมีกำลังคนมากน้อยเพียงใด

ตอบ: ประมาณสามสิบคน

ถาม: มีอะไรอย่างกล่าวถึงผู้อ่านคนไทยที่กำลังสนใจเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ควอนตัมไหม

(โปรดติดตาม ฉบับเต็มที่ http://www.quantum-thai.org เร็วๆนี้)

Dr. Pedram Roushan จบการศึกษาปริญญาเอกด้านฟิสิกส์เชิงการทดลอง จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ในปี ค.ศ. 2011 และเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกในกลุ่มของ Pf. John Martinis ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาบาร่า ระหว่างปี ค.ศ. 2011-2014 ก่อนที่จะเข้ารับตำแหน่งวิศวรกรอิเล็กทรอนิกส์ควอนตัมของกูเกิ้ล จนถึงปัจจุบัน

เมื่อวันที่ 8 ธันวาคม ที่ผ่านมา กูเกิ้ลได้ประกาศศักยภาพใหม่ของ “ควอมตัมคอมพิวเตอร์” รุ่น D-Wave 2X โดยอ้างว่า สามารถแก้ปัญหา “บางอย่าง” ได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไปถึง 100 ล้านเท่า! [1]

…

“เร็วไป เพื่อ?”

อาจเป็นความคิดที่แวปเข้ามาในหัวของหลายๆคน ลองนึกภาพอย่างนี้ครับ สมมุติว่าบัญชีธนาคารของคุณ มีการรักษาความปลอดภัยดีมาก โดยถ้าใช้คอมพิวเตอร์ทั่วไปในการแฮก ต้องใช้เวลาถึง 1 พันปี การที่เรามีเครื่องคำนวณที่เร็วขึ้น 100 ล้านเท่า ก็หมายความว่า ระบบรักษาความปลอดภัยเดียวกันนี้ จะถูกแฮกได้ภายใน

…..

..

5 นาที ครับ

แต่เดี่ยวก่อน ยังไม่ต้องตื่นตระหนกไปครับ คีย์เวิร์ดอยู่ที่คำว่า ความเร็วในการแก้ปัญหา “บางอย่าง” ซึ่งจริงๆแล้วควรจะกล่าวว่า “เฉพาะอย่าง” เสียมากกว่า นั่นคือจริงๆแล้วที่กูเกิ้ลประกาศว่า D-Wave 2X เร็วกว่าคอมทั่วไปถึง 100 ล้านเท่านั้น ควรต้องมีในวงเล็บว่า “สำหรับการแก้ปัญหาที่ออกแบบมาให้ D-Wave 2X แก้ปัญหาได้เร็วกว่า” นั่นคือตัวเลข 100 ล้านเท่านี่ ในแง่หนึ่งก็ถือว่าไม่ได้น่าตกใจขนาดนั้น และก็โชคดีครับ ที่ปัญหาการแฮกระบบข้อมูลออนไลน์ไม่ได้รวมอยู่ใน “ปัญหาเฉพาะอย่าง” นั้น

ดังนั้นในมุมหนึ่ง D-Wave 2X นี่ก็ยังไม่ใช่ควอมตัมคอมพิวเตอร์ที่แท้จริง เพราะโดยหลักการแล้ว เราควรที่จะโปรแกรมควอมตัมคอมพิวเตอร์ให้แก้ปัญหาใดๆก็ได้ที่เราอยากแก้ จริงๆแล้วในเชิงเทคนิค เจ้า D-Wave 2X นี่เราไม่ได้เรียกว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์นะครับ แต่เรียกว่า เครื่องแอนนิลลิ่งเชิงควอนตัม (Quantum Annealing Mechine) แต่ในเชิงการค้า ถ้ากูเกิ้ลใช้ชื่อนี้ คนทั่วไปก็คงต้องขมวดคิ้วไปตามๆกัน

อย่างไรก็ตาม การแก้ปัญหาเฉพาะอย่างที่ว่านี้ ก็ไม่ใช่ว่าไม่สำคัญซะทีเดียวนะครับ ปัญหาที่เจ้า D-Wave 2X นี่แก้ได้ก็มีตั้งแต่ ปัญหาการจัดการข้อมูลทางสารสนเทศ จนไปถึงการเรียงตัวของโปรตีน [2] และก็ตัวเลข 100 ล้านเท่านี้ก็ถือได้ว่าเป็นการ “ปักธงชัย” ขั้นสำคัญของควอมตัมเทคโนโลยีที่จะมาในอนาคตครับ

… ว่าแล้วเราลองมาพูดคุยกันถึงการทำงาน “เบื้องลึง เบื้องหลัง” ของเจ้า D-Wave 2X นี่กัน ตามผมมาครับ

ขั้นแรกก่อนเลยคงต้องอธิบายก่อนว่า “ควอนตัมคอมพิวเตอร์” คืออะไรกันแน่ คำตอบสั้นๆก็คือเป็นคอมพิวเตอร์ที่มีหน่วยประมวลผลที่สร้างจากการควบคุมอะตอมเดี่ยว “เป็นตัวๆ” ในลักษณะที่ทำให้อะตอมแสดงความเป็น “ควอนตัม” ของตัวเองออกมา ซึ่งจะทำให้อะตอมสามารถแสดง “อภินิหาร” แปลกๆได้ ซึ่งผมจะอธิบายในลำดับต่อไป

ที่นี้การควบคุมอะตอมหลายร้อยหลายพันตัวให้เป็นไปอย่างที่เราต้องการนี่ ทำได้ยากในเชิงปฏิบัติครับ ลองนึกภาพว่าที่อุณหภูมิห้อง อะตอมมีความเร็วถึง 1 พันกิโลเมตรต่อชั่วโมง จะไปจับมันให้อยู่นิ่งก็ยากสิครับ ดังนั้นการทำควอนตัมคอมพิวเตอร์จึงต้องอยู่ในที่อุณหภูมิต่ำมากๆ ( ต่ำกว่า – 273 °C) เพื่อให้อะตอมวิ่งช้าๆ

ในเมื่ออะตอมมันควบคุมได้ยาก นักวิทยาศาสตร์หัวใสกลุ่มหนึ่งเลยคิดเทคนิค “สร้าง” อะตอมจำลองขึ้นมาโดยใช้วงจรไฟฟ้าตัวเหนี่ยวนำยิ่งยวด หรือวงจรไฟฟ้าที่ไม่มีความต้านทานนั่นเอง ซึ่งก็ต้องทำงานที่อุณหภูมิต่ำเช่นเดียวกัน แต่ในกรณีนี้ “อะตอมเทียม” ไม่ได้วิ่งไปไหน เพราะเราสร้างมันขึ้นมา

ด้านล่างนี่เป็นรูปภาพของเจ้า D-Wave 2X ซึ่งเป็นเครื่องคำนวนที่สร้างจากวงจรไฟฟ้าตัวเหนี่ยวนำยิ่งยวด ที่เห็นใหญ่ๆนี่ไม่ใช่อะไรนะครับ มันคือ “ตู้เย็น” ดีๆนี่เอง

ด้านในก็มีวงจรไฟฟ้า ซึ่งก็แลดูคล้ายกับวงจรไฟฟ้าทั่วไป

อย่างไรก็ตาม ดังที่กล่าวไว้ D-Wave 2X นี้ไม่ใช่ควอนตัมคอมพิวเตอร์ เนื่องจากเรายังไม่สามารถควบคุมเจ้า “อะตอมเทียม” เป็นตัวๆได้อย่างสมบูรณ์แบบ

ในลำดับต่อไปจะมาพูดถึงการทำงานของเครื่อง D-Wave 2X นี้กันครับ อ่านแล้วจะเห็นภาพชัดขึ้นว่าทำไม ตัวเลขเร็วขึ้น 100 ล้านเท่านี่ ยังไม่เป็นที่น่าตกใจนัก

ลองนึกภาพตามนี้ครับ สมมุติว่าเรามีบ่ออยู่สองบ่อ (ดูรูปด้านล่าง) แล้วเรามีลูกบอลอยู่ลูกหนึ่ง เป้าหมายของเราคือ เอาลูกบอลไปวางไว้ในบ่อที่ลึกที่สุด (บ่อด้านขวามือ) ถ้าเป็นคอมทั่วไป ถ้าเกิดหย่อนลูกบอลไปผิดบ่อ (หย่อนไปบ่อด้านซ๊าย) คอมทั่วไปจะต้อง “ยก” ลูกบอลข้ามกำแพงตรงกลาง เพื่อไปทิ้งลงในบ่อด้านขวา ซึ่งก็ต้องทั้งเวลาและพลังงานสูง

เครื่อง D-Wave 2X นี่ทำงานแปลกออกไป โดยถ้าจะย้ายลูกบอลจากด้านซ๊ายไปด้านขวา D-Wave 2X สามารถทำได้โดยการ “ทะลุกำแพง” ไปได้ดื้อๆ เสียอย่างนั้น นี่ถือว่าเป็น “อภินิหาร” เชิงควอนตัมอย่างหนึ่ง

ดังนั้นสำหรับการแก้ปัญหาที่มีลักษณะเป็นการหาจุดต่ำสุดเช่นนี้ เครื่อง D-Wave 2X ก็จะทำงานได้ดีกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป ซึ่งปัญหาลักษณะนี้ก็มีความสำคัญนะครับ เช่นการศึกษาการจัดเรียงตัวของโปรตีน ซึ่งจะจัดเรียงตัวในลักษณะที่ทำให้พลังงานต่ำที่สุด

ที่นี้ ที่มาของตัวเลข 100 ล้านเท่านี่ มาจากการ “ออกแบบ” ปัญหาให้มีกำแพงกันระหว่างก้นบ่อสองบ่อ “แคบและสูง” ที่สุดเท่าที่จะทำได้ นั่นคือคอมพิวเตอร์ปกติจะแก้ปัญหานี้ได้ยากมาก ต้องยกบอลข้ามกำแพง แต่ในขณะเดียวกัน ก็ง่ายสำหรับ D-Wave 2X มาก เพราะสามารถ “ทะลุ” ผ่านกำแพงได้ง่าย

.. ดังนั้นโดยสรุปแล้ว จึงขอฟันธงว่า การเปิดตัวควอมตัมคอมพิวเตอร์ของกูเกิ้ลในครั้งนี้ ยังห่างไกลจากศักยภาพที่แท้จริงของควอมตัมคอมพิวเตอร์ที่จะมาในอนาคต แต่ก็ถือได้ว่าเป็นการ “ปักธงชัย” ที่สำคัญสำหรับควอมตัมเทคโนโลยีครับ

สำหรับคอแฟนพันธุ์แท้ สามารถอ่านรายงานฉบับเต็มได้ ที่นี่

————————–

ที่มา

[1] http://www.techtimes.com/articles/114614/20151209/googles-d-wave-2x-quantum-computer-100-million-times-faster-than-regular-computer-chip.htm

[2] http://blogs.nature.com/news/2012/08/d-wave-quantum-computer-solves-protein-folding-problem.html

บทความนี้เป็นตอนสุดท้ายของบทความซีรี่ย์สั้นๆเกี่ยวกับควอนตัมคอมพิวเตอร์ครับ สำหรับผู้ที่สนใจสามารถติดตามอ่านบทความแรกได้ ที่นี่ โดยในบทความนี้จะมาคุยกันให้ถึง “แก่น” เลยทีเดียว ว่าถ้าจะผลิตควอนตัมคอมพิวเตอร์ได้ จะต้องผ่านขั้นตอนสุดหินอะไรบ้าง และในช่วง 20-30 ปีที่ผ่านมา เราได้พัฒนามาถึงจุดไหนแล้ว

ก่อนจะเล่าต่อก็ขอเฉลยเลยละกันครับ ขณะนี้เรามาได้เกือบครึ่งทางแล้ว แต่นี่ก็ไม่ได้หมายความว่าเราต้องรออีก 30 ปีถึงจะมีเทคโนโลยีทางควอมตัมโผล่ออกมาให้เราเห็นนะครับ ดูอย่างเมื่อปีที่แล้วทางรัฐบาลอังกฤษลงทุนถึง 270 ล้านปอนด์ เพื่อจะผลิตอุปกรณ์การเข้ารหัสลับเชิงควอนตัมให้ได้ภายในระยะเวลา 5 ปี [1]

วกกลับมาเรื่องขั้นตอนการสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ครับ เราสามารถมองขั้นตอนการสร้างเป็น 6 ขั้นหลักๆได้ตามนี้ [2]

ขั้นตอนที่ 1: เราต้องสามารถควบคุมคิวบิท 1 ตัวให้ได้เสียก่อน

ตามที่ได้พูดถึงในบทความที่แล้วครับ ถ้ายังจำกันได้ “คิวบิท” เปรียบเสมือน “ดินสอ” ที่สามารถชี้ขึ้นและชี้ลงในเวลาเดียวกันได้ และเจ้าคิวบิทนี้ก็สร้างจากอะตอมหนึ่งตัว ดังนั้นขั้นตอนแรกคือต้องควบคุมเจ้าหนึ่งอะตอมนี้ให้ได้เสียก่อนครับ ซึ่งขณะนี้สามารถทำได้หลายวิธี ทั้งจากการกักขังอะตอมเดี่ยวโดยใช้แสงเลเซอร์ (Optical lattices), การกักขังไออน (Trapped ion), การใช้ “อะตอมเทียม” ที่สร้างจากวงจรไฟฟ้ายิ่งยวด (circuit QED) และอื่นๆอีกมากมาย รวมถึงการสร้างคิวบิทโดยไม่ใช้อะตอม แต่ใช้ลำแสงเชิงเส้น (Linear optics) ก็เป็นไปได้อีกด้วย

ในขั้นนี้ประเทศไทยก็ไม่น้อยหน้าใครนะครับ เมื่อไม่กี่เดือนไม่ผ่านมา ดร.วรานนท์ อนุกูล แห่งมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ได้มีการแถลงข่าวความสำเร็จในการกักขังอะตอมเดี่ยวเป็นครั้งแรกในประเทศ [3] ผลงานดีๆแบบนี้ ต้องขอร่วมแสดงความยินดีด้วยเป็นอย่างยิ่งครับ และเป็นกำลังใจให้นักวิจัยไทยผลิตผลงานดีๆเช่นนี้ออกมาเรื่อยๆครับ

ขั้นตอนที่ 2: สามารถนำคิวบิทหลายตัวมาใช้ในการคำนวนได้

ขั้นตอนนี้ก็ตรงไปตรงมาครับ จะเอาคิวบิทไปใช้ประโยชน์ได้ก็ต้องมีหลายตัว ดูอย่างหน่วยความจำชั่วคราว (RAM) ของคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันก็ปาเข้าไปถึง 16 GB หรือราวๆ “สามหมื่นสองพันล้าน” บิทเห็นจะได้ แต่สำหรับ “คิวบิท” ในปัจจุบันเรายังควบคุมได้แค่ราวๆ 10 คิวบิทเท่านั้น แต่ใช่ว่าจะไม่มีประโยชน์นะครับ การควบคุมได้สิบคิวบิทนี่ ภาษาฝรั่งเรียกว่า “prove of principle” นั่นคือเป็นการพิสูจน์ว่าทำได้จริง ขั้นตอนต่อไปก็แค่พยายามทำให้ดีขึ้นเท่านั้น เมื่อปีที่ผ่านมา (2014) ศาสตราจารย์จอร์น มาตินิส (John Martinis) หนึ่งในสองเจ้าพ่อแห่งการพัฒนาควอนตัมคอมพิวเตอร์โดยใช้วงจรไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวด ถึงกับประกาศว่าภายในระยะเวลา 5 ปี เค้าจะควบคุมให้ได้ถึง 1,000 คิวบิทเลยทีเดียว [4] ศาสตร์ตราจารย์ท่านนี้ยังได้รับงบประมาณมหาศาลจากกูเกิ้ลในการลงมือสร้างควอมตัมคอมพิวเตอร์อย่างจริงๆจังๆอีกด้วย

ขั้นตอนที่ 3: สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดของข้อมูลในคิวบิทได้ โดยไม่ทำลายข้อมูลนั้นๆ (Quantum non-demolishing measurement)

“คิวบิทนั้นช่างเปราะบาง” เป็นคำพูดติดปากของนักทดลองหลายคน เนื่องจากอะตอมเดี่ยวนั้นมักจะไวต่อปฏิกิริยาของสิ่งต่างๆรอบข้างเสมอ ดังนั้นเราจึงต้องหาวิธีที่จะแก้ไขข้อผิดพลาดของข้อมูลที่เกิดจากปฏิกิริยาดังกล่าว

การที่จะรู้ว่าข้อมูลในคิวบิทนั้นมีข้อผิดพลาดหรือไม่ เราก็ต้องวัด แต่การวัดนี้จะต้องไม่ไปทำลายข้อมูลนั้นเสียด้วย ซึ่งทำได้ไม่ง่ายเลยในระดับอะตอมเนื่องจากมัน “เปราะบาง” มาก ตัวอย่างเช่น ถ้าเราต้องการ “ถ่ายรูป” อะตอมเพื่อหาตำแหน่งของมัน ปกติเราจะถ่ายรูปอะไร แค่เอากล้องเล็งไปแล้วกดแช๊ะก็เสร็จแล้ว แต่ในกรณีนี้อะตอมมันเปราะบางมาก แค่แสงจากกล้องไปกระทบมัน มันก็กระเด็นไปที่อื่นแล้ว

เทคโนโลยีในปัจจุบันกำลังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนานี้ ซึ่งริเริ่มครั้งแรกโดยอาศัยเทคโนโลยีการกักขังไอออน [5] ตามมาติดๆด้วยเทคโนโลยการกักขังอะตอมริดเบิร์ก (Rydberg’s atom) [6] และสุดท้ายคือเทคโนโลยี “อะตอมเทียม” จากวงจรไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดเมื่อไม่นานมานี้ [7]

ขั้นตอนที่ 4: สามารถสร้างหน่วยความจำเชิงควอนตัมเชิงควอนตัม (Quantum memory) ที่มี “อายุขัย”ยืนยาวได้

ในขั้นตอนนี้เราต้องการที่จะสร้างหน่วยความจำเชิงควอนตัมที่เสถียรจากเจ้าคิวบิทนี้ วิธีการหนึ่งที่ใช้คือใช้หลักการ “โหวดโดยใช้เสียงส่วนใหญ่ (Majority vote)” นั่นคือ เราแทนคิวบิท 1 ตัวด้วยคิวบิทหลายๆตัว เช่น ถ้ามีคิวบิท (หรือดินสอ) 1,000 ตัวที่ชี้ขึ้น เราก็จะบอกว่านี่คือคิวบิท “หนึ่งตัว” ที่ชี้ขึ้น

ทีนี้ถ้าจู่ๆเกิดข้อผิดพลาดขึ้นมา โดยมีคิวบิทตัวหนึ่งจาก 1,000 ตัวชี้ลง แต่ 999 ตัวที่เหลือก็ยังชี้ขึ้นอยู่ เราก็จะตรวจสอบได้ว่าเจ้าตัวที่ชี้ลงนั้นเป็นข้อผิดพลาด เพราะคิวบิทส่วนใหญ่มันชี้ขึ้น เช่นนี้เราก็ปรับให้ไอ้ตัวที่ชี้ลงมันชี้ขึ้นเสีย

เราเรียกคิวบิท 1 ตัวที่สร้างจากคิวบิทหลายๆตัวนี้ว่า “ลอจิคัลคิวบิท ” (logical qubit) ซึ่งยังไม่มีใครทำได้ในปัจจุบัน แต่คาดว่าน่าจะทำได้ในอนาคตที่ไม่นานเกินรอ

ขั้นตอนที่ 5: สามารถควบคุม “ลอจิคัลคิวบิท” 1 ตัวได้

ในขั้นนี้เราต้องสามารถควบคุมลอจิคัลคิวบิท ซึ่งเกิดจากคิวบิทหลายพันตัวให้ชี้ขึ้น หรือชี้ลง (หรือชี้ขึ้นและชี้ลงพร้อมๆกัน) ตามใจเราได้

ขั้นตอนที่ 6: สามารถนำ “ลอจิคัลคิวบิท” หลายตัวมาใช้ในการคำนวนได้

… เมื่อสามารถผ่านด่านสุดหินทั้ง 6 ด่านได้ ควอมตัมคอมพิวเตอร์พร้อมที่จะคลอดออกมาให้โลกเห็นแล้วหล่ะครับ

[1] https://www.epsrc.ac.uk/newsevents/pubs/quantumtechstrategy/ [2] M.H. Devoret and R.J. Schoelkopf, Science 339, 1169 (2013) [3] http://www.dailynews.co.th/article/303639/ [4] https://youtu.be/HQmFEt6l6Tw?t=3047 [5] P. Schindler et al., Science 332,1059 (2011). [6] C. Sayrin et al., Nature 477, 73 (2011). [7] M. D. Reed et al., Nature 482,382 (2012)

หลังจากที่กล่าวไปคร่าวๆแล้วในบทความที่แล้ว ถึงความสำคัญของควอมตัมคอมพิวเตอร์ เทคโนโลยีที่อาจเปลี่ยนแปลงโลกในอนาคต ในบทความนี้เราจะมาดูกันครับว่า ทำไมเมื่อศาสตราจารย์ดีโวเร็ทถูกถามว่า “คิดว่าควอมตัมคอมพิวเตอร์จะเป็นไปได้จริงหรือ” ศาสตราจารย์ท่านนี้ถึงได้มั่นใจตอบกลับไปว่า “ก็ไม่เห็นว่าจะเป็นไปไม่ได้ตรงไหน”

แต่ก่อนอื่น เราลองมาดูกันก่อนครับว่า คำว่า “ควอนตัม” นี้คืออะไรกันแน่ อ่านแล้วจะเข้าใจครับว่าเจ้า “ควอนตัมคอมพิวเตอร์” นี้จะพิเศษกว่าคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันอย่างไร

คำว่า “ควอนตัม” ในที่นี้มาจากสาขาหนึ่งในวิชาฟิสิกส์ เรียกว่า “ฟิสิกส์ควอนตัม” ซึ่งเป็นหนึ่งในทฤษฎีรากฐานที่นักฟิสิกส์ใช้ในการอธิบายธรรมชาติ ถูกก่อตั้งขึ้นมาราว 100 ร้อยปีที่แล้ว ซึ่งถือได้ว่าเป็นทฤษฎีใหม่ เมื่อเทียบกับวิชาฟิสิกส์แบบดั้งเดิมที่มีอายุร่วม 400 ปีแล้ว

ที่น่าสนใจก็คือว่า ถึงแม้ความรู้ทางด้านวิศวกรรมของมนุษย์จะพัฒนาไปอย่างมากในช่วงไม่กี่ร้อยที่ผ่านมา ความรู้ต่างๆเหล่านั้นล้วนตั้งอยู่บนกฎเกณฑ์ชุดเก่าในวิชาฟิสิกส์ทั้งสิ้น “ควอนตัมคอมพิวเตอร์” จึงเป็นความพยายามใหม่ที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ขึ้นจากกฎเกณฑ์ชุดใหม่ในวิชาฟิสิกส์

กฏเกณฑ์ชุดใหม่หรือฟิสิกส์ควอนตัมนี้ เป็นความรู้ ความเข้าใจ ที่ใช้ในการอธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในระดับอะตอม นั่นคือเจ้าควอมตันคอมพิวเตอร์นี้ เราจะสร้างโดยการควบคุมอะตอม “ทุกอะตอม” ที่ประกอบกันขึ้นมาเป็นคอมพิวเตอร์นั่นเอง!

เรามาดูกันครับว่า การสร้างคอมพิวเตอร์โดยการควมคุมอะตอมทุกอะตอมนั้นดีกว่าคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันยังไง

หน่วยความจำในคอมพิวเตอร์ปัจจุบันเรียกว่า บิต (bit) ซึ่งมีค่าเป็น 0 ไม่ก็ 1 เราอาจนึกภาพหน่วยความจำนี้ว่าเป็นดินสอแท่งหนึ่ง ถ้าชี้ขึ้นก็แทนด้วย 1 ถ้าชี้ลงก็แทนด้วย 0 จากสามัญสำนักเรารู้ว่าดินสอไม่สามารถชี้ขึ้นและลงในเวลาเดียวกันได้ ดังนั้น ณ เวลาหนึ่งๆเจ้าบิตนี้ก็มีค่าได้ไม่ 0 ก็ 1 เท่านั้น

แต่นั่นก็ไม่เป็นจริงเสมอไป ฟิสิกส์ควอมตันนั้นเปิดตัวมาอย่างฉีกแนว โดยระบุว่า ดินสอนั้นสามารถชี้ขึ้นและชี้ลงในเวลาเดียวกันได้! แต่ต้องมีเงื่อนไขว่า เจ้าดินสอนั้นต้องมีขนาดเล็กมากๆ เทียบเท่ากับอะตอมนั่นเอง ในทางปฎิบัติเราใช้สถานะพลังงานต่ำสุดของอะตอมแทนดินสอชี้ลง (หรือ 0) และสถานะของอะตอมที่ถูกกระตุ้นแทนดินสอชี้ขึ้น (หรือ 1)

การที่หน่วยความจำของเจ้าควอมตัมคอมพิวเตอร์นี้ สามารถเป็น 0 และ 1 ในเวลาเดียวกันได้ เปิดโอกาสให้ควอมตัมคอมพิวเตอร์สามารถทำมากกว่าหนึ่งอย่างในเวลาเดียวกัน ซึ่งก็จะทำให้การประมวลผลเร็วขึ้นอย่างมาก แต่ก็เป็นดาบสองคมเช่นกัน เช่น เวลาแฮ้กพาสเวิร์ค ควอมตัมคอมพิวเตอร์สามารถสุ่มรหัสทั้งหมดที่เป็นไปได้ในเวลาเดียวกัน นั่นคือ ข้อมูลจะถูกแฮ้กในชั่วพริบตานั่นเอง!

หน่วยความจำของควอนตัมคอมพิวเตอร์ หรือ เจ้า “ดินสอ” ที่สามารถชี้ขึ้นและชี้ลงในเวลาเดียวกัน มีชื่อเรียกใหม่เก๋ๆว่า คิวบิท (qubit)

แน่นอนว่าปัญหาหนึ่งในการสร้างเจ้า “คิวบิท” นี้ คือเราต้องสามารถควบคุมอะตอมเป็นตัวๆได้ อีกปัญหาหนึ่งมาจากการที่เราใช้สถานะของอะตอมที่ถูกกระตุ้นเป็นตัวแทนของตัวเลขหนึ่ง (ดินสอชี้ขึ้น) แต่เจ้าสถานะที่ถูกกระตุ้นนี้มักจะไม่เสถียร สักพักอะตอมจะคายพลังงานออก ทำให้อะตอมกลับมาสู่สถานะพลังงานต่ำสุดเหมือนเดิม นั่นคือเจ้าดินสอนี้ชอบที่จะ “ชี้ลง” อย่างเดียว

ดังนั้นเกณฑ์หนึ่งที่ใช้ในการวัดว่า “ควอนตัมคอมพิวเตอร์” นั้นดีไม่ดี คือดูว่าเจ้าคิวบิทหรือดินสอนี้ สามารถชี้ขึ้นได้นานแค่ไหนก่อนที่มันจะชี้ลง เราเรียกช่วงเวลานี้ว่า “อายุขัยของคิวบิท ” (qubit lifetime)

..กลับมาที่คำตอบของศาสตราจารย์ดีโวเร็ท สิ่งหนึ่งที่ทำให้อาจารย์แกมั่นใจมากก็คือการพัฒนาอย่างรวดเร็วของ “อายุขัยของคิวบิท” โดยใช้เทคโนโลยีวงจรไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดที่แกเป็นหนึ่งในคนคิดค้น

ในช่วง 10 กว่าปีที่ผ่านมา อายุขัยของคิวบิทนั้นเพิ่มขึ้นถึงหนึ่งล้านเท่า! จากเดิมในปี 1990 อยู่ที่หนึ่งในพันล้านส่วนของวินาที มาเป็นราวๆหนึ่งในพันส่วนของวินาทีในปัจจุบัน แถมการพัฒนานี้ยังเติบโตอย่างต่อเนื่อง ในรูปแบบของเอกซ์โพเนนเชียลอีกด้วย [1]

รูป 1: กราฟการพัฒนาของอายุขัยของคิวบิทที่ทำจากวงจรไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวด จะเห็นว่าอายุของคิวบิทมีการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วราวล้านเท่า ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา [1]

อ้างอิง: [1] M.H. Devoret and R.J. Schoelkopf, Science 339, 1169 (2013)

เมื่อหลายเดือนก่อนได้มีโอกาสพูดคุยกับศาสตราจารย์ไมเคิล ดีโวเร็ท (Michel Devoret) นักฟิสิกส์ระดับโลก ที่งานประชุมวิชาการระดับนานาชาติในประเทศอิตาลี มีความรู้ที่น่าสนใจมากมาฝาก

อาจารย์ท่านนี้เป็นหนึ่งในผู้บุกเบิกการสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์โดยใช้สารตัวนำยิ่งยวด (วงจรไฟฟ้าที่ไม่มีความต้านทาน)

เป็นที่เชื่อกันว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์นั้น ถ้าพัฒนาสำเร็จแล้วจะมีความเร็วสูงกว่าคอมพิวเตอร์ปัจจุบันมากมายนัก ไม่ใช่เพียงสิบเท่าหรือยี่สิบเท่า แต่จะเป็นหลักล้านเท่ากันเลยทีเดียว เอาเป็นว่า MacBook Pro quad-core Intel i7, 16 GB RAM กลายเป็นเครื่องพิมพ์ดีดไปเลย

ควอมตัมคอมพิวเตอร์นั้นยังเร็วถึงขนาดที่ว่า การเข้ารหัส RSA ซึ่งเป็นรหัสความปลอดภัยทางคอมพิวเตอร์ที่นิยมใช้ที่สุดในปัจจุบัน ก็ยังไม่สามารถยับยั้งมันไว้ได้ โดยคอมพิวเตอร์ปัจจุบันต้องใช้เวลาในการแฮกถึง 1,000 ปี เมื่อเจอกับควอมตัมคอมพิวเตอร์ จะโดนแฮกได้ในเวลาเพียง 3 นาทีเท่านั้น!

ลองนึกภาพว่าจะเกิดอะไรขึ้น ถ้าแบ็งค์ทั้งแบ็งค์ถูกแฮกในเวลา 3 นาที หรือข้อมูลทางการทหารยกกองถูกแฮกภายในเวลาไม่ถึงชั่วโมง

ด้วยศักยภาพนี้ ประเทศต่างๆจึงมีการลงทุนวิจัย “เทคโนโลยีควอนตัม” กันอย่างขันแข็ง โดยปีที่แล้วทางสหราชอาณาจักรได้ลงทุนวิจัยถึง 270 ล้านปอนด์ สำหรับแผนวิจัย 5 ปี, google จ้างอีกหนึ่งเจ้าพ่อแห่งควอนตัมคอมพิวเตอร์ John Martinis ด้วยเงิน(ว่ากันว่า) ราว 200 ล้านดอลล่าห์สหรัฐ ส่วนสิงคโปร์ก็ไม่น้อยหน้า ลงทุนจ้างเจ้าพ่อแห่งวงการการเข้ารหัสลับเชิงควอนตัม Artur Ekert มาสร้างศูนย์วิจัยในประเทศด้วยเงินถึง 200 ล้านสิงคโปร์ดอลล่า

ด้วยเหตุนี้สมัยนี้คนจึงไม่แข่งกันไปดวงจันทร์แล้ว แต่คนแข่งกันเป็นเจ้าแห่ง “เทคโนโลยีควอนตัม” ต่างหาก

อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์บางส่วนยังเชื่อว่า ควอมตัมคอมพิวเตอร์ เป็นแค่เรื่องเพ้อฝันของนักฟิสิกส์บางกลุ่มเท่านั้น โดยล่าสุดคำนวนได้แค่ 15=5×3 กากสุดๆ

วันนี้หลังจากที่ได้เจอกับศาสตราจารย์ดีโวเร็ท ตัวเป็นๆ มีคนหนึ่งถามว่า “คิดว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์จะเป็นไปได้มากน้อยแค่ไหน” อาจารย์แกยิ้มแหยะๆแล้วหันมาตอบว่า

ควอนตัม มีประโยชน์อย่างไร

เทคโนโลยีควอนตัมจะช่วยกระตุ้นการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ พัฒนาทักษะกระบวนการคิดของผู้เรียน ส่งผลให้สังคมไทยเป็นสังคมที่มีเหตุผล ใช้หลักการทางวิทยาศาสตร์ในการดำรงชีวิตมากขึ้น เทคโนโลยีควอนตัมทำให้เกิดพัฒนาการของการศึกษา เชื่อมโยงกับมาตรฐานโลก กระตุ้นการยกระดับการศึกษาของประเทศไทยให้มีคุณภาพสูงขึ้น

ควอนตัมคอมพิวติง (quantum computing) มีประโยชน์อย่างไร

'#ควอนตัมคอมพิวเตอร์' (Quantum Computer) เทคโนโลยีที่จะเข้ามาช่วยแก้ไขปัญหาให้กับมนุษย์ ด้วยพลังการคำนวณอันมหาศาลที่คาดว่าจะมาเปลี่ยนแปลงโลกนี้ได้ ถ้าถูกนำมาใช้จริง มนุษย์จะการคาดการณ์ปัญหาล่วงหน้าได้รวดเร็วมาก แต่ควอนตัมคอมพิวเตอร์ก็มีข้อเสียที่สามารถย้อนกลับมาทำลายโลกเราจนขาดสมดุล เราจะป้องกันได้อย่างไร?

ควอนตัม ใช้ทำอะไร

มาตรวิทยาและการตรวจวัดเชิงควอนตัม (Quantum Metrology and Sensing) คือ การนำหลักการและสมบัติเชิงควอนตัมมาใช้ในการวัด เช่น การวัดเวลา การวัดความเข้มของสนามแม่เหล็ก การวัดวิเคราะห์เชิงการแพทย์ ซึ่งการวัดเชิงควอนตัมนี้จะให้ความถูกต้องและแม่นยำมากขึ้น เป็นประโยชน์ต่อเทคโนโลยีต่างๆ เช่น เทคโนโลยีการสื่อสารรูปแบบ 5G และ 6G ...

ควอนตัมเทคโนโลยี คืออะไร

'ควอนตัม' คืออะไร อันที่จริงควอนตัมเป็นเทคโนโลยีที่มีมานานแล้ว กล่าวได้ว่า ควอนตัมก็คือเทคโนโลยีแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบหนึ่ง ที่สามารถทำได้มากกว่าแค่การควบคุมประจุไฟฟ้าของอะตอมแบบเทคโนโลยีแม่เหล็กไฟฟ้าดั้งเดิม