Rami Barends และ Alireza Shabani สองวิศวกรด้านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควอนตัม ได้เผยความสำเร็จอีกขั้นในการวิจัยสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อการใช้งานทั่วไป (universal quantum computer) โดยจำลองโมเดลของคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบการประมวลผลด้วยทฤษฎี adiabatic บนโมเดลคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบวงจรอีกทีหนึ่ง วิธีการดังกล่าวทำให้คอมพิวเตอร์สามารถตรวจสอบและแก้ไขข้อผิดพลาดของคิวบิตได้ (quantum error correction)
ผลลัพธ์ที่ได้คือโมเดลคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบใหม่ที่เรียกว่า digitized adiabatic quantum computing ทางนักวิจัยเชื่อว่าโมเดลนี้จะช่วยให้สามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ใช้จำนวนคิวบิตมากขึ้นได้ ทำให้การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อใช้งานทั่วไปนั้นมีความเป็นไปได้มากขึ้นนั่นเอง
หลายคนอาจจะยังงงว่าผมเขียนอะไรอยู่ เพราะฉะนั้น ผมจะพาไปรู้จักกับโมเดลคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยคร่าวๆ เพื่อให้เข้าใจเนื้อหาของข่าวมากขึ้น
ในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้น เป้าหมายสูงสุดคือการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมสำหรับใช้งานทั่วไป (universal) นั่นคือ คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถรันโปรแกรมหรืออัลกอริทึมควอนตัมอะไรก็ได้ที่ถูกเขียนขึ้นมา
นักวิทยาศาสตร์ได้ออกแบบโมเดลสำหรับสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบ universal ไว้หลักๆ ถึง 4 แบบด้วยกัน แต่ในที่นี้จะขอยกมาแค่ 2 แบบ ได้แก่ โมเดลคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบวงจร (quantum circuit model -- โมเดลแบบวงจร) และโมเดลคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบการประมวลผลด้วยทฤษฎี adiabatic (adiabatic quantum computation model -- โมเดล AQC) ทั้งสองโมเดลนี้ต่างกันที่วิธีการปรับแก้สถานะ superposition ของคิวบิตเพื่อใช้ในการประมวลผล
โมเดลแบบวงจร ก็คือโมเดลของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ปรับแก้สถานะ superposition ของคิวบิต โดยให้คิวบิตแต่ละตัววิ่งผ่านเกตต่างๆ (quantum gate) ที่ถูกต่อขึ้นเป็นวงจร เหมือนกับที่บิตในคอมพิวเตอร์ทั่วๆ ไปวิ่งผ่านเกตตรรกะ (logic gate) เพื่อประมวลผลข้อมูลบิตนั่นเอง
ในขณะที่โมเดล AQC นั้น จะใช้ทฤษฎี adiabatic ของกลศาสตร์ควอนตัมในการปรับแก้สถานะ superposition ของคิวบิตแทน อธิบายอย่างง่ายคือ คิวบิตในสถานะ superposition จะถูกทำให้มีระดับพลังงานในสถานะพื้นของระบบ (ground state) เท่าๆ กัน (ในบล็อกของกูเกิลใช้คำว่า energy landscape ของระบบเป็น flat meadow นั่นคือเรียบเสมือนทุ่งหญ้ากว้าง) เมื่อจะประมวลผลคิวบิต เราจะต้องปรับแก้ระดับพลังงานของระบบ จากเดิมที่เป็นทุ่งหญ้ากว้าง กลายเป็นหุบเขาที่มีทั้งยอดเขาและเหว การปรับระดับพลังงานเหล่านี้เกิดขึ้นอย่างช้าๆ ทำให้คิวบิตยังคงอยู่ในสถานะพื้นตามเดิม มันจึงมีโอกาสสูงที่จะหนีไปอยู่บริเวณที่เป็นเหวซึ่งเป็นสถานะพื้นที่มีระดับพลังงานต่ำสุดของระบบนั่นเอง
ตัวอย่างการปรับแก้สถานะ superposition ของคิวบิต 2 ตัว โดยการปรับระดับพลังงานในสถานะพื้นของระบบ ทำให้คิวบิตมีโอกาสเปลี่ยนเป็นสถานะ (1, 1) เมื่อถูกวัดมากที่สุด (ที่มาภาพ: D-Wave Systems บน Youtube ผู้จัดทำคลิป Dominic Walliman)
การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบ universal โดยใช้โมเดล AQC ง่ายกว่า ในแง่หนึ่งคือเราสามารถรันอัลกอริทึมอะไรลงไปก็ได้เพียงแค่ปรับแก้ระดับพลังงานของระบบให้ตรงตามที่ออกแบบเท่านั้น ในขณะที่โมเดลแบบวงจรจะต้องอาศัยการต่อวงจรรูปแบบต่างๆ ในการออกแบบอัลกอริทึม
อย่างไรก็ตาม ในการปรับแก้ระดับพลังงานนั้น เราจะต้องเข้าไปปรับแก้แรงอันตรกิริยา (interaction) ที่คิวบิตแต่ละตัวกระทำต่อกัน คิวบิตทุกตัวที่อยู่ในคอมพิวเตอร์จึงต้องเชื่อมถึงกัน (coupling) ทำให้การเฝ้าติดตามคิวบิตแต่ละตัวในระหว่างการประมวลผลนั้นเป็นไปอย่างยากลำบาก นอกจากนี้ แรงที่กระทำกันระหว่างคิวบิตก็เปราะบางต่อ noise จากสภาพแวดล้อมภายนอก จึงมีโอกาสสูงที่ระดับพลังงานจะถูกบิดเบือนไป ส่งผลให้การคำนวณผิดเพี้ยนไปได้
แต่เนื่องจากโมเดลคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบวงจรนั้น มีกระบวนการที่สามารถตรวจสอบและแก้ไขข้อผิดพลาดของคิวบิตได้ (quantum error correction) เพื่อแก้ไขความผิดพลาดที่เกิดจาก noise ของสภาพแวดล้อมภายนอก ซึ่งโมเดล AQC ยังไม่มีกระบวนการนี้ นักวิจัยจากกูเกิลจึงมีแนวคิดที่จะสร้างวงจรของคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อจำลองกระบวนการทำงานของโมเดล AQC อีกที เลยได้ออกมาเป็นโมเดลใหม่ที่เรียกว่า digitized adiabatic quantum computing
ในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมด้วยโมเดลข้างต้นนั้น ทีมนักวิจัยกูเกิลและทีมนักวิจัยจาก University of the Basque Country ในเมือง Bilbao ประเทศสเปน ร่วมมือกันสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม ประกอบด้วยคิวบิต 9 ตัว และเกตควอนตัมกว่า 1,000 ชุด คิวบิตแต่ละตัวถูกสร้างขึ้นโดยฟิล์มอะลูมิเนียมที่เป็น superconductor รูปกากบาท ถูกวางเรียงกันอยู่บนผิวของ sapphire แรงอันตรกิริยาระหว่างคิวบิตนั้นจะถูกควบคุมโดยเกตควอนตัม โดยการควบคุมแรงปฏิกิริยาของความถี่เรโซแนนท์ (resonant frequency) ที่มีในคิวบิตแต่ละตัว เป็นการจำลองโมเดล AQC นั่นเอง
ทีมนักวิจัยตั้งความหวังไว้ว่า โมเดลคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบ digitized adiabatic นี้จะช่วยให้การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบ universal ที่ต้องใช้คิวบิตจำนวนมากนั้นเป็นไปได้มากขึ้น
สำหรับผู้ที่สนใจเพิ่มเติม งานวิจัยชิ้นนี้ได้รับการตีพิมพ์ลงวารสาร Nature หรือจะอ่านคำอธิบายเพิ่มเติมจากที่มาก็ได้ และหากต้องการศึกษาโมเดล AQC เพิ่มเติม ผมแนะนำให้ดูคลิปจากเพลย์ลิสต์ของบริษัท D-Wave Systems ที่อยู่ด้านล่างนี้ครับ (โมเดล AQC เป็น quantum annealer รูปแบบหนึ่ง)
ที่มา - Google Research Blog, Inside Science, Nature
ป.ล. หากนักฟิสิกส์ควอนตัมหรือผู้มีความรู้ด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมท่านใด เห็นอะไรขัดหูขัดตาในบทความ หรือมีอะไรอยากจะเสริม สามารถเขียนคอมเมนต์เพิ่มเติมได้นะครับ :)