คอมพิวเตอร์ควอนตัมกำลังกำหนดอนาคตหรือไม่? ประวัติศาสตร์ ความท้าทาย ความเสี่ยง และผลประโยชน์

เมื่อไม่นานมานี้ ข้อจำกัดของคอมพิวเตอร์คลาสสิกได้ผลักดันให้นักวิทยาศาสตร์พัฒนาคอมพิวเตอร์ประเภทใหม่ นั่นคือคอมพิวเตอร์ควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้คิวบิตแทนบิตคลาสสิก และสามารถคำนวณบางอย่างได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิกมาก ข้อได้เปรียบนี้สามารถเปลี่ยนแปลงขอบเขตมากมายและทำให้ชีวิตของเราดีขึ้น ในบทความนี้ เราจะให้ภาพรวมของการคำนวณควอนตัม รวมถึงอุตสาหกรรมและสาขาต่างๆ ที่สามารถปฏิวัติได้ด้วยการคำนวณควอนตัม นอกจากนี้เรายังจะหารือเกี่ยวกับความท้าทายและความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีนี้ รวมถึงสิ่งที่จะเกิดขึ้นในอนาคต

ภายในของระบบคอมพิวเตอร์ IBM Quantum (เครดิต: ไอบีเอ็ม )

คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร?

คอมพิวเตอร์ก้าวหน้าไปมากนับตั้งแต่ทฤษฎีควอนตัมได้รับการพัฒนาในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1920 และคอมพิวเตอร์ที่ตั้งโปรแกรมได้เครื่องแรก นั่นคือ Electronic Numerical Integrator and Computer ( ENIAC ) ถูกสร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2488 เครื่องจักรดังกล่าวเป็นเครื่องแรก"อัตโนมัติ ใช้งานทั่วไป อิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์ดิจิทัลแบบทศนิยม"ตามหนังสือของ Edwin D. Reilly เรื่อง "เหตุการณ์สำคัญในวิทยาการคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีสารสนเทศ" การคำนวณควอนตัมคืออะไรกันแน่? โดยสรุป มันเป็นเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่อย่างรวดเร็วซึ่งควบคุมกฎของกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อแก้ไขปัญหาที่ซับซ้อนในลักษณะที่มีประสิทธิภาพและทรงพลังมากกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก สำหรับปัญหาบางอย่าง ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ไม่ใช่ซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ โดยแก่นแท้แล้ว การประมวลผลควอนตัมอาศัยการใช้บิตควอนตัม (qubits)เพื่อประมวลผลและจัดการข้อมูล แตกต่างจากบิตคลาสสิกซึ่งสามารถมีอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งเท่านั้น (0 หรือ 1) คิวบิตสามารถมีอยู่ในหลายสถานะพร้อมกันได้เนื่องจากปรากฏการณ์ของการซ้อนทับ ซึ่งช่วยให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถคำนวณหลายอย่างพร้อมกันได้ หลักการสำคัญอีกประการหนึ่งของการคำนวณควอนตัมคือการพัวพันซึ่งช่วยให้คิวบิตมีความสัมพันธ์ในลักษณะที่สถานะของคิวบิตหนึ่งสามารถส่งผลกระทบต่อสถานะของอีกอันหนึ่งได้ในทันที แม้ว่าพวกมันจะถูกแยกออกจากกันทางกายภาพก็ตาม ซึ่งช่วยให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานบางอย่างได้เร็วกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์มาก เช่น การแยกตัวประกอบตัวเลขจำนวนมาก การค้นหาผ่านฐานข้อมูลขนาดใหญ่ เป็นต้น

คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานอย่างไร?

ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้คิวบิตแทนบิตเพื่อเรียกใช้อัลกอริธึมควอนตัมหลายมิติ คิวบิตถูกสร้างขึ้นโดยใช้ตัวนำยิ่งยวด ซึ่งแสดงผลเชิงกลของควอนตัม เช่น คู่คูเปอร์ที่สามารถนำประจุผ่านฉนวนผ่านอุโมงค์ควอนตัม พฤติกรรมของคิวบิตสามารถควบคุมและจัดการได้โดยการยิงโฟตอนไมโครเวฟใส่พวกมัน คิวบิตสามารถวางอยู่ในสถานะซ้อนทับ ซึ่งแสดงถึงการรวมกันของการกำหนดค่าที่เป็นไปได้ทั้งหมดของคิวบิต กลุ่มของคิวบิตในการซ้อนทับสามารถสร้างพื้นที่การคำนวณที่ซับซ้อนซึ่งสามารถแสดงถึงปัญหาที่ซับซ้อนในรูปแบบใหม่ คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีขนาดเล็กกว่าและต้องการพลังงานน้อยกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ แต่ต้องมีความเย็นมาก ซึ่งทำได้โดยใช้ซูเปอร์ฟลูอิดที่ระบายความร้อนเป็นพิเศษ

แผนผังระยะใกล้ของคิวบิตตัวนำยิ่งยวดของ IBM รวมถึงมุมมองแบบซูมเข้าของจุดเชื่อมต่อโจเซฟสัน

สถานะปัจจุบันของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นสาขาที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วซึ่งจะปฏิวัติวิธีการแก้ไขปัญหาที่ซับซ้อน บริษัทหลายแห่ง รวมถึง IBM, Google และ Rigetti ได้สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมและใช้งานคอมพิวเตอร์เหล่านั้นแล้ว คอมพิวเตอร์เหล่านี้มีขนาดตั้งแต่ไม่กี่คิวบิตไปจนถึงมากกว่า 100 คิวบิต และแต่ละเครื่องมีสถาปัตยกรรมและชุดความสามารถเฉพาะตัวของตัวเอง

• ในปี 2560 Rigetti ได้ประกาศเปิดตัว Forest 1.0 รุ่นเบต้าสาธารณะ ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมการเขียนโปรแกรมแบบฟูลสแตกตัวแรกของโลกสำหรับการประมวลผลควอนตัม
• Sycamore ของ Google เป็นโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่มี 53 คิวบิต ได้รับการพัฒนาในปี 2019 และอ้างว่าจะทำงานให้เสร็จสิ้นภายใน 200 วินาที ซึ่งต้องใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ระดับไฮเอนด์ 10,000 ปีจึงจะเสร็จสิ้น
• คอมพิวเตอร์ควอนตัม IBM Quantum System One เปิดตัวโดย IBM ในปี 2019 เช่นกัน ประกอบด้วยโปรเซสเซอร์ควอนตัมทรานส์มอนขนาด 20 คิวบิตที่อยู่ในระบบคอมพิวเตอร์ขนาด 2.7x2.7x2.7 เมตร สิ่งที่น่าสนใจคือ IBM ได้ประกาศเปิดตัวโปรเซสเซอร์ 'Osprey' ขนาด 433 คิวบิตที่งาน IBM Quantum Summit 2022

“โปรเซสเซอร์ 433 คิวบิต 'Osprey' ใหม่ทำให้เราเข้าใกล้จุดที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมถูกนำมาใช้เพื่อจัดการกับปัญหาที่แก้ไขไม่ได้ก่อนหน้านี้” – ดร. ดาริโอ กิล รองประธานอาวุโสของ IBM และผู้อำนวยการฝ่ายวิจัย นอกเหนือจากการพัฒนาฮาร์ดแวร์แล้ว เครื่องมือซอฟต์แวร์สำหรับการคำนวณควอนตัมยังมีความก้าวหน้าอีกด้วย ภาษาการเขียนโปรแกรม เช่น Q# และ Qiskit ช่วยให้นักพัฒนาสามารถเขียนโปรแกรมควอนตัมและรันบนฮาร์ดแวร์หรือเครื่องจำลองควอนตัมได้ อย่างไรก็ตาม คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังคงเผชิญกับความท้าทายและข้อจำกัดบางประการ สิ่งสำคัญประการหนึ่งคือการแก้ไขข้อผิดพลาด ในขณะที่โปรแกรมควอนตัมทำงาน ข้อผิดพลาดก็สะสมอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดความท้าทายสำหรับนักวิทยาศาสตร์ ดังนั้นการพัฒนาวิธีการแก้ไขข้อผิดพลาดที่มีประสิทธิผลจึงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่และเชื่อถือได้ ข้อจำกัดที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือความสามารถในการขยายขนาด แม้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มี 10 หรือหลายร้อย qubit นั้นมีอยู่แล้ว การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ที่มี 100 หรือ 100 qubit ยังคงเป็นความท้าทาย อย่างไรก็ตาม มีการมองโลกในแง่ดีว่าความท้าทายเหล่านี้จะถูกเอาชนะได้ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ซึ่งปูทางไปสู่การใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมในวงกว้างมากขึ้น ระบบ IBM Quantum สัญญาว่าจะขยายขนาดเป็น 4,000+ คิวบิตภายในปี 2568 และหลังจากนั้น

คอมพิวเตอร์ควอนตัมกำลังเปลี่ยนแปลงโลกอย่างไร? แอปพลิเคชันในชีวิตจริง

ตามที่กล่าวไป มีกรณีการใช้งานหลายกรณีในอุตสาหกรรมต่างๆ ที่การคำนวณควอนตัมแสดงผลลัพธ์ที่น่าอัศจรรย์

ดูแลสุขภาพ

หนึ่งในสาขาที่มีแนวโน้มมากที่สุดคือการดูแลสุขภาพ คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถจำลองพฤติกรรมของโมเลกุลและวัสดุได้แม่นยำกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม ซึ่งสามารถเร่งการค้นพบยาใหม่ๆ และการรักษาโรคได้ ตัวอย่างเช่น อัลกอริธึมควอนตัม เช่น Variational Quantum Eigensolver (VQE) สามารถใช้ในการคำนวณโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลได้แม่นยำกว่าวิธีการแบบคลาสสิก นอกจากนี้ การประมวลผลควอนตัมยังสามารถใช้เพื่อวิเคราะห์ชุดข้อมูลขนาดใหญ่จากเวชระเบียนและการทดลองทางคลินิกเพื่อระบุเป้าหมายใหม่สำหรับการค้นคว้ายา อีกตัวอย่างหนึ่งของการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมในการดูแลสุขภาพคือการคัดกรองผู้สมัครยาเสมือนจริง สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการค้นหาฐานข้อมูลขนาดใหญ่ของยาที่มีศักยภาพเพื่อระบุยาที่มีคุณสมบัติที่ต้องการ คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถเร่งกระบวนการนี้ได้โดยการค้นหาข้อมูลจำนวนมหาศาลอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งนำไปสู่การค้นพบและพัฒนายาที่รวดเร็วยิ่งขึ้น

การเงิน

การประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สำคัญอีกประการหนึ่งอาจอยู่ที่การเพิ่มประสิทธิภาพของปัญหา เช่น ปัญหาที่พบในแวดวงการเงิน สามารถใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อปรับปรุงการสร้างแบบจำลองทางการเงินและการบริหารความเสี่ยง ตัวอย่างเช่น สามารถใช้อัลกอริธึมควอนตัมเพื่อวิเคราะห์ชุดข้อมูลขนาดใหญ่ได้อย่างรวดเร็ว และคาดการณ์เกี่ยวกับแนวโน้มของตลาดได้ นอกจากนี้ การเข้ารหัสควอนตัมยังสามารถใช้เพื่อรักษาความปลอดภัยธุรกรรมทางการเงินและป้องกันภัยคุกคามทางไซเบอร์อีกด้วย การแจกจ่ายคีย์ควอนตัม (QKD) เป็นเทคนิคที่ใช้หลักการของกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อส่งคีย์การเข้ารหัสอย่างปลอดภัยระหว่างสองฝ่าย QKD ควบคุมพลังของคิวบิตที่พันกันเพื่อสร้างคีย์ที่ไม่สามารถสกัดกั้นโดยไม่ถูกตรวจพบ

โลจิสติกส์

สามารถใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการจัดการห่วงโซ่อุปทาน ลดต้นทุนการขนส่ง และปรับปรุงเวลาการส่งมอบ ตัวอย่างเช่น อาจใช้อัลกอริธึมควอนตัมเพื่อวิเคราะห์เส้นทางการขนส่งและการจัดจำหน่ายที่มีประสิทธิภาพสูงสุดอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ การประมวลผลควอนตัมยังสามารถใช้เพื่อแก้ปัญหาการกำหนดตารางเวลาที่ซับซ้อน เช่น ปัญหาที่พบในการกำหนดตารางเวลาของสายการบินและการรถไฟ

พลังงาน

อัลกอริธึมควอนตัมอาจถูกนำมาใช้เพื่อจำลองพฤติกรรมของวัสดุที่ใช้ในอุปกรณ์กักเก็บพลังงาน ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น นอกจากนี้ การประมวลผลควอนตัมยังสามารถใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตพลังงานโดยการวิเคราะห์รูปแบบสภาพอากาศและคาดการณ์ความต้องการพลังงาน

การผลิต

เนื่องจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถวิเคราะห์ชุดข้อมูลขนาดใหญ่และคาดการณ์กำหนดการผลิตที่เหมาะสมได้ จึงมีประโยชน์อย่างยิ่งในการผลิตเช่นกัน อย่างที่คุณเห็น การประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีศักยภาพนั้นมีมากมายและมีอุตสาหกรรมมากมายที่เทคโนโลยีนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้

“ความกลัว” แห่งอนาคต

จากทั้งหมดนี้ จึงสรุปได้ง่ายว่าผลกระทบของการประมวลผลควอนตัมต่อสังคมจะมีนัยสำคัญ และเช่นเดียวกับเทคโนโลยีปฏิวัติวงการอื่นๆ การประมวลผลควอนตัมมีความเสี่ยงบางประการ หนึ่งในความท้าทายที่สำคัญที่สุดคือผลกระทบด้านจริยธรรมและสังคมของเทคโนโลยี คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีศักยภาพที่จะทำลายวิธีการเข้ารหัสหลายวิธีที่ใช้ในการรักษาความปลอดภัยข้อมูลที่ละเอียดอ่อน ซึ่งอาจนำไปสู่การละเมิดความเป็นส่วนตัวและข้อกังวลด้านความปลอดภัยอื่นๆ นอกจากนี้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังสามารถนำมาใช้เพื่อพัฒนาอาวุธและเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่อาจก่อให้เกิดภัยคุกคามต่อความปลอดภัยทั่วโลก

สรุป

ในขณะที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมนำเสนอความท้าทายและความเสี่ยงหลายประการ องค์กรหลายแห่งกำลังทำงานอย่างแข็งขันเพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้โดยการพัฒนาวิธีการเข้ารหัสใหม่ ปรับปรุงฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ควอนตัม ตลอดจนให้โอกาสการฝึกอบรมและการศึกษา ดังนั้นเราจึงเชื่อว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะปฏิวัติโลกไปในทางที่ดี ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้ เราสามารถปลดล็อกศักยภาพสูงสุดของการประมวลผลควอนตัม และสร้างอนาคตที่สดใสยิ่งขึ้นสำหรับการประมวลผลและสังคมโดยรวม ถึงเวลาดำเนินการแล้ว ดังนั้นค้นพบโลกแห่งเทคโนโลยีต่อไปด้วย CodeGym!