ควอนตัมคอมพิวเตอร์คืออะไร?
จากแบบจำลองโลกควอนตัมสู่การปฏิวัติรหัสลับ
หนึ่งในการประยุกต์ใช้ทฤษฎีควอนตัมที่ได้รับความคาดหวังจากนักฟิสิกส์ที่สุด คือ การสร้างระบบประมวลผลเชิงควอนตัม สู่เทคโนโลยีควอนตัมคอมพิวเตอร์ ถึงขั้นมีคำกล่าวว่า “การเกิดขึ้นของคอมพิวเตอร์เปลี่ยนแปลงโลกของเราได้มากแค่ไหน หากควอนตัมคอมพิวเตอร์ถือกำเนิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ก็จะเปลี่ยนแปลงโลกของเราได้มากถึงเพียงนั้น”
ควอนตัมคอมพิวเตอร์คืออะไร? และทำไมมันถูกคาดหวังว่าจะสร้างความเปลี่ยนแปลงให้กับโลกของเราได้มากขึ้นขนาดนั้น บทความนี้จะพาทุกท่านไปรู้จักแนวคิดกว้างๆของของควอนตัมคอมพิวเตอร์กันครับ
หากกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันเป็นเหมือนจุดเริ่มต้นการวิเคราะห์ในกลศาสตร์คลาสสิก สมการคลื่นของชโรดิงเจอร์ก็เป็นจุดเริ่มต้นการวิเคราะห์ระบบต่างๆทางควอนตัม แต่ปัญหาคือ สมการคลื่นของชโรดิงเจอร์นั้นไม่ใช่สมการที่แก้ได้ง่ายๆ ยิ่งกับระบบที่มีความซับซ้อนก็ยิ่งยากจนแก้ไม่ได้(ภายในช่วงเวลาที่มนุษย์รอได้)
แม้แนวทางอื่นๆเชิงการคำนวณจะถูกสร้างขึ้นเพื่อช่วยวิเคราะห์ระบบทางควอนตัม มันก็ยังมีหลายสถานการณ์ที่นักฟิสิกส์สนใจ แต่หาคำตอบไม่ได้อยู่ดี ส่วนการประมาณค่าเพื่อให้ได้คำตอบออกมานั้น ก็ยังมีขีดจำกัดการใช้งานหลายอย่าง
สมการคลื่นของชโรดิงเจอร์ ในหลายๆระบบแก้ได้ยากมากและอาจแก้โดยตรงไม่ได้
ในปี ค.ศ. 1981 เป็นช่วงที่คอมพิวเตอร์เริ่มเข้าสู่การใช้งานของคนทั่วไปมากขึ้น ระบบปฏิบัติการ MS-DOS เวอร์ชั่นแรกเพิ่งเปิดตัวและนักฟิสิกส์ระดับตำนานผู้มีนามว่า ริชาร์ด ไฟน์แมน ได้เสนอแนวคิดสุดล้ำเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ที่แตกต่างไปจากคอมพิวเตอร์แบบทั่วไปที่ทั้งโลกกำลังใช้งานกันอยู่ มันเป็นคอมพิวเตอร์ที่ทำงานโดยอาศัยหลักการพื้นฐานทางควอนตัม เพื่อให้สามารถแก้ปัญหาระบบทางควอนตัมที่นักฟิสิกส์สนใจได้โดยตรง
มันถูกเรียกว่า คอมพิวเตอร์แบบควอนตัม (quantum computer) หรือ เรียกทับศัพ์ว่า ควอนตัมคอมพิวเตอร์
หน่วยพื้นฐานในการประมวลผลของควอนตัมคอมพิวเตอร์ อาจเป็นอิเล็กตรอน โฟตอน หรืออะตอม ในภาพนี้เป็นอะตอมสองตัวที่มีพันธะระหว่างกันและเกิดการสั่น
ในทางทฤษฎี คอมพิวเตอร์แบบควอนตัมจะใช้อนุภาคควอนตัม เช่น อิเล็กตรอน โฟตอน หรืออะตอม จริงๆ ที่มีปฏิสัมพันธ์เชิงควอนตัมกันภายใต้พลังงานค่าหนึ่ง เป็นหน่วยพื้นฐานที่ใช้ในการดำเนินการต่างๆ ดังนั้นภายใต้อัลกอริทึมที่ถูกออกแบบมาเป็นอย่างดี คอมพิวเตอร์แบบควอนตัมจะจำลองระบบควอนตัมแล้วแก้ไขปัญหาบางประเภทได้ภายในเวลาที่รวดเร็วมากๆเทียบกับคอมพิวเตอร์ปกติ
หากเราต้องการออกแบบโมเลกุลยารักษาโรคที่มีประสิทธิภาพบางอย่าง เครื่องคอมพิวเตอร์แบบควอนตัมจะจำลองปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลจนได้คำตอบออกมาตามที่ต้องการ แน่นอนว่าหลายๆกรณีเราไม่สามารถใช้คอมพิวเตอร์ปกติทำการคำนวณเพื่อเช็คคำตอบที่ได้ว่าถูกต้องหรือไม่
วิธีตรวจคำตอบคือ ทำการทดลองจริงๆเพื่อทดสอบว่าคำตอบที่ได้ถูกหรือไม่ ถึงแม้ว่าคอมพิวเตอร์แบบควอนตัมจะให้คำตอบที่เป็นไปได้ออกมาหลายสิบคำตอบ แล้วเราต้องมาทำการทดลองไล่เช็คทั้งหมดว่าคำตอบไหนถูกต้อง ก็ยังดีกว่าการลองผิดลองถูกไล่ทำการทดลองไปเรื่อยๆ
ทั้งหมดนี้เป็นความฝันที่ถูกจุดประกายขึ้นมาโดย ริชาร์ด ไฟน์แมน
โมเลกุลยาอันซับซ้อน อาจถูกออกแบบได้ด้วยควอนตัมคอมพิวเตอร์
คอมพิวเตอร์ปกติทั่วไปที่ใช้งานกันในปัจจุบัน ทั้งตามบ้าน ห้องปฏิบัติการ หรือ ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ใช้กลุ่มของอิเล็กตรอนในการเก็บข้อมูลและประมวลผล แต่ทั้งหมดนี้ยังไม่มีการใช้งานคุณสมบัติเชิงควอนตัมของอิเล็กตรอนทั้งการซ้อนทับของคลื่นหรือการพัวพันเชิงควอนตัม เลย พูดง่ายๆว่าเราใช้งานกลุ่มอิเล็กตรอนเหมือนเป็นวัตถุคลาสสิคอย่างเม็ดทรายเล็กๆมาโดยตลอด
ภาษาที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปใช้ในการคำนวณเรียกว่า Binary Language ซึ่งมีอักษรของตัวคือ 0 กับ 1 มันถูกกำหนดว่าหากอิเล็กตรอนถูกเติมเข้าไปจนเต็มถังคือ 1 แต่ถ้าไม่มีอิเล็กตรอนในถังคือ 0 แต่สำหรับควอนตัมคอมพิวเตอร์ เราจะใช้คุณสมบัติเชิงควอนตัมของอิเล็กตรอน เช่น การซ้อนทับของคลื่นทำให้สถานะ 0 กับ 1 ซ้อนทับกันได้ เหมือนแมวของชโรดิงเจอร์
แม้โดยหลักการมันจะฟังดูน่าสนใจ แต่การจะนำสถานการณ์ซ้อนทับของควอนตัมไปประยุกต์ใช้เชิงการคำนวณนั้นไม่ใช่เรื่องที่จะคิดออกได้ง่ายๆ
ปีเตอร์ ชอร์ (Peter Shor)
ในปี ค.ศ. 1994 นักคณิตศาสตร์ชาวอเมริกันชื่อ ปีเตอร์ ชอร์ (Peter Shor) ค้นพบกระบวนการสั่งการให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์แก้ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งได้ นั่นคือ การแยกตัวประกอบ
การแยกตัวประกอบเป็นกระบวนการที่เราเรียนกันมาตั้งแต่ประถม เช่น 21 แยกตัวประกอบออกมาได้เป็น 7x3 เป็นต้น แต่ปัญหาคือ จำนวนที่มีค่ามากๆนั้น คอมพิวเตอร์ปกติใช้เวลานานมากขึ้นไปอีกในการแยกตัวประกอบ
ตัวอย่างเช่น
ลองแยกตัวประกอบของจำนวนนี้
27,997,833,911,221,327,870,829,467,638,722,601,621,070,446,786,
955,428,537,560,009,929,326,128,400,107,609,345,671,052,955,360,
856,061,822,351,910,951,365,788,637,105,954,482,006,576,775,098,
580,557,613,579,098,734,950,144,178,863,178,946,295,187,237,869,
221,823,983
การจะหาจำนวนข้างต้นเกิดจากจำนวนใดบ้างคูณกันใช้เวลานานมากและยาก แต่ถ้าเฉลยว่า ตัวประกอบของสองจำนวนนี้คือ
3,532,461,934,402,770,121,272,604,978,198,464,368,671,197,400,
197,625,023,649,303,468,776,121,253,679,423,200,058,547,956,528,088,349
และ
7,925,869,954,478,333,033,347,085,841,480,059,687,737,975,857,364,219,960,734,330,341,455,767,872,818,152,135,381,409,304,740,185,467
เรากดเครื่องคิดเลขเพื่อคูณจำนวนทั้งสองแป๊บเดียวก็ตรวจคำตอบได้แล้ว (แต่ต้องกดให้ถูกนะ)
ปัญหาการแยกตัวประกอบนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเทคโนโลยีการเข้ารหัสในปัจจุบัน ซึ่งใช้งานในระบบคอมพิวเตอร์และธุรกรรมออนไลน์ (รายละเอียดอยู่นอกเหนือขอบเขตของหนังสือเล่มนี้) ดังนั้นหากควอนตัมคอมพิวเตอร์ถูกสร้างขึ้นจริง มันย่อมเข้ามาส่งผลต่อวงการการเข้ารหัสอย่างมาก
ต่อมา Lov Grover นักวิทยาการคอมพิวเตอร์อินเดีย-อเมริกันนำเสนอวิธีการค้นหาข้อมูลโดยใช้ควอนตัมคอมพิวเตอร์ซึ่งมีประสิทธิภาพกว่าวิธีการที่ใช้ๆกัน เหตุผลของงานวิจัยดังกล่าวส่วนหนึ่งเป็นการมองไปข้างหน้าว่าในอนาคตข้อมูลในโลกอินเทอร์เน็ตน่าจะท่วมท้นจนการค้นหาข้อมูลด้วยกระบวนการเดิมๆอาจจะช้าหรือไม่เวิร์กอีกต่อไป
การทดลองสร้างหน่วยประมวลผลของควอนตัมคอมพิวเตอร์ พบว่าในทางปฏิบัติมันสามารถใช้งานได้ แต่การจะ scale ให้หน่วยประมวลผลมากขึ้นจนใช้งานกับปัญหาจริงๆได้ยังเป็นความท้าทาย
จะเห็นได้ว่าหนึ่งในงานวิจัยที่นักฟิสิกส์ นักวิทยาการคอมพิวเตอร์ ทำกันอยู่ทุกวันนี้คือ การพยายามมองหาการประยุกต์ใช้งานควอนตัมคอมพิวเตอร์ในแนวทางต่างๆ (Quantum algorithm) แน่นอนว่าไม่ใช่ทุกปัญหาทางคณิตศาสตร์และฟิสิกส์เหมาะสมที่จะแก้ได้ด้วยควอนตัมคอมพิวเตอร์ แต่การถือกำเนิดของมันอาจจะช่วยแก้ปัญหาโหดๆและสำคัญๆหลายปัญหาที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปใช้เวลานานเทียบเท่าอายุเอกภพในการแก้
ความท้าทายในการสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์คือ การควบคุมสถานะทางควอนตัมให้ไม่ถูกรบกวนนั้นเป็นเรื่องยากมาก ยิ่งหน่วยประมวลผลมีปริมาณมากก็ยิ่งควบคุมได้ยาก (นึกถึงการพยายามให้น้องๆประถม 1 นับร้อยคนนั่งสมาธิอย่างเรียบร้อย) แม้ในตอนนี้ นักฟิสิกส์ตามห้องปฏิบัติการต่างๆจะพบว่าการประมวลผลแบบควอนตัมนั้นมีความเป็นไปได้ แต่การจะสร้างมันขึ้นมาให้ใช้งานกับปัญหาจริงๆได้ยังเป็นสิ่งที่ท้าทายนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกอยู่
อ้างอิง
- 11
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
