ทำไมนักวิทยาศาสตร์ถึงตื่นเต้นกับ “อำนาจสูงสุดทางควอนตัม”

ด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัม นักวิทยาศาสตร์กำลังดำดิ่งลงไปในฟิสิกส์ประหลาดอย่างลึกซึ้งเพื่อแก้ปัญหาต่างๆ

Brian Resnick เป็นบรรณาธิการด้านวิทยาศาสตร์และสุขภาพของ Vox และเป็นผู้ร่วมสร้างพอดคาสต์ Unexplainable ของ Vox เกี่ยวกับคำถามที่ยังไม่มีคำตอบทางวิทยาศาสตร์ ก่อนหน้านี้ Brian เป็นนักข่าวที่ Vox และ National Journal

เมื่อวันพุธที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ของ Google ได้ประกาศผ่านบทความในวารสารNatureว่าพวกเขาได้ทำบางสิ่งที่ไม่ธรรมดา ในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถแก้ปัญหาที่ยากเหลือเชื่อได้ภายใน 200 วินาที ซึ่งเป็นปัญหาที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในโลกต้องใช้เวลาถึง 10,000 ปีในการแก้ปัญหา พวกเขาประสบความสำเร็จใน นั่นคือ: คอมพิวเตอร์ควอนตัมของ Google ทำสิ่งที่ไม่มีคอมพิวเตอร์ทั่วไปสามารถทำได้อย่างมีเหตุผล

นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ได้เห็นความยิ่งใหญ่ของควอนตัม ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถดำเนินการอย่างที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปไม่สามารถทำได้ นับเป็นเหตุการณ์สำคัญที่ยากจะเข้าใจสำหรับสาขาของตน มีกลุ่มวิจัยหลายกลุ่มที่ทำงานเกี่ยวกับควอนตัมคอมพิวเตอร์และแอปพลิเคชัน แต่ดูเหมือนว่า Google จะเอาชนะคู่แข่งได้ถึงขั้นนี้

ตามที่ John Preskill นักฟิสิกส์อนุภาคของคาลเทคผู้บัญญัติคำว่า “อำนาจสูงสุดควอนตัม” คอมพิวเตอร์ควอนตัมของ Google “เป็นสิ่งใหม่ในการสำรวจธรรมชาติ ระบบเหล่านี้กำลังทำในสิ่งที่ไม่เคยมีมาก่อน”

หมายเหตุ: นักวิจัยบางคนของ IBM โต้แย้งคำกล่าวอ้างของ “อำนาจสูงสุด” โดยกล่าวว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมสามารถแก้ปัญหาได้ภายใน 2.5 วัน ไม่ใช่ 10,000 ปี ถึงกระนั้น 200 วินาทีก็เร็วกว่า 2.5 วันมาก หากคอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่สุดยอด ก็ยังถือว่าน่าประทับใจอย่างยิ่ง เพราะมันมีขนาดเล็กและมีประสิทธิภาพมาก “พวกเขามีชิปเล็กๆ หนึ่งตัวในคอมพิวเตอร์ควอนตัม และซูเปอร์คอมพิวเตอร์ก็ครอบคลุมสนามบาสเก็ตบอล” เพรสสกิลกล่าว

มันฟังดูหวือหวามาก และนักวิทยาศาสตร์บางคนคิดว่าวันหนึ่งคอมพิวเตอร์เหล่านี้จะนำไปสู่การค้นพบยาใหม่และเคมีแขนงใหม่ทั้งหมด คนอื่นๆ กลัวว่าสักวันหนึ่งพวกเขาจะถูกใช้เพื่อถอดรหัสโปรโตคอลความปลอดภัยที่ยากที่สุด

แต่ถ้าคุณไม่เคยได้ยินเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมหรือรู้ว่ามันทำอะไรหรือใช้เพื่ออะไร คุณไม่ได้อยู่คนเดียว ดังนั้นเรามาทำลายมันกันเถอะ

คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร?

ก่อนที่เราจะพูดถึงว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์คืออะไร คุณควรพิจารณาว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมคืออะไร

คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมใช้กระแสไฟฟ้าและสามารถเปิดหรือปิดได้ที่สวิตช์ภายในวงจร การเปิดหรือปิดสวิตช์จะสร้างตัวเลขและศูนย์ที่อยู่ภายใต้รหัสคอมพิวเตอร์ทั้งหมด นี่คือสิ่งที่ Alan Turing ค้นพบในงานบุกเบิกของเขา: กฎง่ายๆสำหรับการเปิดและปิดสวิตช์เหล่านี้สามารถใช้แก้ปัญหาทางคณิตศาสตร์ได้ ศูนย์และหนึ่งเหล่านี้เรียกว่าบิต และเป็นบิตข้อมูลที่เล็กที่สุดที่คอมพิวเตอร์เก็บไว้

สรุป: คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมใช้ฟิสิกส์ของไฟฟ้า นั่นคือข้อเท็จจริงที่ว่ากระแสสามารถเปิดและปิดได้ที่สวิตช์ เพื่อสั่งงานทุกอย่าง

ในทางกลับกัน คอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ได้สร้างขึ้นโดยใช้กระแสไฟฟ้า พวกมันอาศัยคุณสมบัติทางกายภาพของอิเล็กตรอน โฟตอน และสสารเล็กๆ อื่นๆ ที่อยู่ภายใต้กฎของกลศาสตร์ควอนตัมแทน

สสารเหล่านี้สามารถทำอะไรได้มากกว่าแค่เปิดและปิด จริงๆ แล้วคำว่า on และ off ไม่ใช่คำที่เหมาะสมในฟิสิกส์ควอนตัม

สสารขนาดเล็กประเภทนี้อธิบายได้ดีที่สุดในสถานะที่เรียกว่าแอมพลิจูด (เช่น คลื่น เนื่องจากสสารขนาดเล็กที่สุดสามารถทำหน้าที่เป็นทั้งอนุภาคและคลื่น) อนุภาคสามารถมีแอมพลิจูดที่แตกต่างกันได้ 2 แอมพลิจูดในเวลาเดียวกัน ซึ่งเรียกว่าสภาวะซ้อนทับ นอกจากนี้ยังสามารถพันกันได้อีกด้วย หมายความว่าการเปลี่ยนแปลงในอนุภาคหนึ่งจะเปลี่ยนอีกอนุภาคหนึ่งในทันที แอมพลิจูดของอนุภาคยังสามารถหักล้างกันเองได้เหมือนคลื่นตรงข้ามในน้ำ นอกจากนี้ อนุภาคที่เล็กที่สุดในธรรมชาติไม่มีอยู่จริงในจุดหนึ่งๆ ในอวกาศ แต่มีอยู่ตามความน่าจะเป็นของการมีอยู่

สำหรับวิดีโออธิบายเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมที่ยอดเยี่ยม โปรดดูวิดีโอนี้โดยนักฟิสิกส์Dominic Walliman

มันเป็นเรื่องแปลกที่ท้าทายตรรกะปกติ! ถึงกระนั้นก็มีเหตุผลอยู่ จากความยุ่งเหยิงวุ่นวายของการพัวพัน การซ้อนทับ และการแทรกแซง โลกที่มั่นคงของเราจึงเกิดขึ้น

กลศาสตร์ควอนตัมคือ “กฎที่ทำให้เป็นจริง” สก็อตต์ แอรอนสัน นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์เชิงทฤษฎีที่ศึกษาควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่มหาวิทยาลัยเทกซัสออสตินกล่าว ใช้อิเล็กตรอนเขาพูด ตามหลักฟิสิกส์คลาสสิก (นึกถึงกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน) อิเล็กตรอนควรหมุนวนเข้าสู่ศูนย์กลางของอะตอม ทำให้มันไร้ประโยชน์ “สิ่งที่กลศาสตร์ควอนตัมกล่าวในท้ายที่สุดคือมีเส้นทางเหล่านี้ทั้งหมดที่อิเล็กตรอนสามารถหมุนวนเข้าไปในนิวเคลียสได้ แต่พวกมันหักล้างกันเอง”

มันยากที่จะคิดอย่างไม่ต้องสงสัย “มันน่าทึ่งในสิ่งที่เรากำลังพูดถึง” แอรอนสันกล่าว เหมือนกับว่าตัวอิเล็กตรอนเองเป็นคอมพิวเตอร์ จัดเรียงเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมดก่อนที่จะพบเส้นทางที่เหมาะสม ในแง่หนึ่ง อิเล็กตรอนได้แก้ปัญหาการมีอยู่ของมันเอง

สิ่งที่วิศวกรคอมพิวเตอร์ควอนตัมกำลังทำอยู่นั้นช่างน่าประหลาดใจที่ใช้ประโยชน์จากตรรกะอันยุ่งเหยิงของโลกควอนตัมเพื่อแก้ปัญหาต่างๆ เช่นเดียวกับคอมพิวเตอร์ทั่วไปที่มีสวิตช์ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า พวกเขาสร้างฮาร์ดแวร์เพื่อมีอิทธิพลต่อสถานะควอนตัม (ส่วนหนึ่งของการวิจัยเกี่ยวกับควอนตัมคอมพิวติ้งคือการค้นหาว่าฮาร์ดแวร์ที่เหมาะสมที่สุดควรเป็นอย่างไร) พวกเขากำลังพยายามออกแบบการโต้ตอบด้วยควอนตัมด้วยวิธีเพื่อให้คำตอบที่ผิดสำหรับปัญหาใหญ่ถูกยกเลิก

โอเค ฉันใจดีกับคุณ แต่ทำไมนักวิทยาศาสตร์ต้องเข้าไปยุ่งเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อแก้ปัญหา?

ในคอมพิวเตอร์ทั่วไป บิตสามารถอยู่ในสองสถานะ — เปิดหรือปิด ศูนย์หรือหนึ่ง แต่ qubit หรือที่เรียกว่า quantum bit สามารถอยู่ในหลายสถานะพร้อมกันได้ นั่นหมายความว่า qubit เดียวสามารถบรรจุข้อมูลได้มากกว่าบิตปกติแบบทวีคูณ

“นั่นก็เหมือนกับมีคอมพิวเตอร์สี่เครื่องทำงานเคียงข้างกัน” นิตยสารCosmos อธิบาย “ถ้าคุณเพิ่มบิตให้กับคอมพิวเตอร์ทั่วไป คอมพิวเตอร์ก็ยังสามารถจัดการกับสถานะได้ครั้งละหนึ่งสถานะเท่านั้น แต่เมื่อคุณเพิ่ม qubits พลังของคอมพิวเตอร์ควอนตัมของคุณจะเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ”

สิ่งที่สรุปได้คือคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถแก้ไขปัญหาใหญ่ ๆ ได้อย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น ความปลอดภัยในโลกไซเบอร์จำนวนมากขึ้นอยู่กับคอมพิวเตอร์ที่คูณจำนวนเฉพาะจำนวนมาก เป็นเรื่องยากมากสำหรับคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมที่จะย้อนกลับกระบวนการนี้ เพื่อค้นหาหมายเลขเฉพาะที่ส่งผลให้เกิดจำนวนที่มากขึ้นและถอดรหัสการเข้ารหัส แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำได้ ในโลกควอนตัมคอมพิวติ้ง เราอาจต้องการการป้องกันความปลอดภัยที่รัดกุมยิ่งขึ้น หรือแม้กระทั่งที่มาจากกลศาสตร์ควอนตัมเอง

นักวิทยาศาสตร์หวังว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์อาจนำไปสู่วิธีการที่ดีกว่าและรวดเร็วกว่าในการแก้ปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพ ในเมื่อคุณมีทางเลือกมากมายอยู่ตรงหน้า คุณจะเลือกเส้นทางในอุดมคติอย่างไร? คำถามประเภทนี้สร้างความเครียดให้กับคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม แต่อาจเป็นเรื่องง่ายสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งสามารถแยกแยะส่วนที่เป็นไปได้ทั้งหมดในคราวเดียว คอมพิวเตอร์แบบเดิมต้องลองทีละเส้นทาง แม้ว่า “เราจะไม่สามารถเรียกใช้แอปพลิเคชันแบบนั้นได้สักระยะหนึ่งแล้ว เนื่องจากฮาร์ดแวร์ไม่ก้าวหน้าพอ” Preskill กล่าวเสริม

คอมพิวเตอร์ควอนตัมสร้างยาก มีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาด และส่วนประกอบมักไม่เสถียร ในตอนนี้ Preskill กล่าวว่า สิ่งที่ Google ได้แสดงให้เห็นนั้นเป็นข้อพิสูจน์ของแนวคิด: คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถแก้ปัญหาในแบบที่คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมไม่สามารถทำได้ เครื่องทำงาน 54 qubits “แต่นี่เป็นเพียงส่วนเล็ก ๆ ของหนึ่งล้าน qubits ที่อาจจำเป็นสำหรับเครื่องจักรที่ใช้งานทั่วไป” บทความ ข่าวที่ Nature กล่าว

คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังไม่ได้ทำอะไรที่เป็นประโยชน์ ปัญหาในการทดสอบที่ Google ใช้ในการรายงานคือ — และนี่คือการทำให้เข้าใจง่ายขึ้น — เพื่อดูว่าตัวสร้างตัวเลขสุ่มนั้นสุ่มจริงหรือไม่

“พวกเขากำลังตรวจสอบว่าฮาร์ดแวร์ของพวกเขากำลังทำสิ่งที่พวกเขาคิดว่าควรจะทำ” Preskill กล่าว “การตรวจสอบด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัม พวกเขาสามารถทำการคำนวณด้วยขั้นตอนที่น้อยลงและเร็วกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมมาก”

บางทีการใช้งานในทันทีส่วนใหญ่ก็คือการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อจำลองโลกแห่งกลศาสตร์ควอนตัมที่คลั่งไคล้และทำความเข้าใจให้ดียิ่งขึ้น

“เราสามารถใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นตัวจำลองธรรมชาติในระดับจุลภาคได้” แอรอนสันกล่าว “และใช้มันเพื่อทำนายว่าโปรตีนจะทำอะไร ช่วยออกแบบยาที่จะจับกับตัวรับในทางที่ถูกต้อง และ ช่วยออกแบบปฏิกิริยาเคมีใหม่ … ออกแบบแบตเตอรี่ให้ดีขึ้น คุณต้องการเพียงหนึ่งหรือสองความสำเร็จเพื่อทำให้สิ่งทั้งหมดนี้คุ้มค่า”

หน้าแรก

ไฮโลไทย, ไฮโลไทยได้เงินจริง, ไฮโลไทยเว็บตรง