Digital Ventures

Back to blog

Fasten Your Future with Quantum Computing by QuTE ตอนที่ 1: สำรวจเครื่อง Quantum Computer กับความเป็นไปได้ในอนาคต

DIGITAL VENTURES X QuTE March 07, 2019 5:37 PM

830

ควอนตัมคอมพิวเตอร์เป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจจากสื่อทั่วไปเป็นอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเพราะได้ถูกคาดการณ์ว่าจะสามารถนำมาใช้ในการยกระดับอุตสาหกรรมทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นในด้านเศรษฐกิจ การผลิต การแพทย์ และอื่นๆ อีกมากมาย ยกตัวอย่างเช่น การพยากรณ์อากาศ ซึ่งต้องอาศัยการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนและมีจำนวนตัวแปรที่เกี่ยวข้องจำนวนมากจนแม้ว่าเราจะใช้ซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ดีที่สุดที่มีอยู่ในตอนนี้ก็ยังยากที่จะพยากรณ์อย่างถูกต้องแม่นยำในเวลาอันรวดเร็วได้  แต่ด้วยควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูง การคำนวณนี้อาจสามารถทำได้รวดเร็วขึ้นมากและนำมาซึ่งประสิทธิภาพการพยากรณ์ที่สูงขึ้น โดยงานวิจัยล่าสุดโดยคณะนักวิจัยชาวจีนจาก University of Science and Technology of China และ Origin Quantum Computing Company Limited แสดงให้เห็นว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่มีขนาดเพียงประมาณ 65 คิวบิทนั้นก็น่าจะมีพลังการประมวลผลสูงกว่าซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ดีที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบันแล้ว ด้วยเหตุนี้บริษัทยักษ์ใหญ่ของโลกทางด้านเทคโนโลยีในปัจจุบัน อาทิเช่น Google, Microsoft, Intel, IBM และ Alibaba จึงต่างแข่งกันวิจัยและพัฒนาเพื่อที่จะเป็นผู้นำในเทคโนโลยีนี้  อย่างไรก็ตามเมื่ออ่านถึงตรงนี้คงมีผู้อ่านบางคนสงสัยว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์คืออะไรกันแน่และมันทำงานอย่างไร

 

 

ก่อนที่จะพูดถึงเรื่องควอนตัมคอมพิวเตอร์เรามาดูกันว่าอะไรคือทฤษฎีควอนตัม ทฤษฎีควอนตัมคือทฤษฎีทางฟิสิกส์ที่อธิบายกฎเกณฑ์ของธรรมชาติในระดับโมเลกุลหรืออะตอมหรือระบบที่เล็กลงไปกว่านั้นอีก ซึ่งกฎเกณฑ์ของธรรมชาติในระดับนั้นมีความแปลกแตกต่างจากสิ่งที่เราคุ้นเคยปกติอยู่มาก เช่น การที่อนุภาคหนึ่งตัวสามารถอยู่ในหลายๆ ที่ได้ในเวลาเดียวกัน เป็นต้น ด้วยเหตุนี้ควอนตัมคอมพิวเตอร์ก็คือเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์รูปแบบใหม่ที่อาศัยปรากฏการณ์เชิงควอนตัมในการช่วยประมวลผลข้อมูลนั่นเอง นอกจากความน่าสนใจในเชิงของวิธีการประมวลผลข้อมูลแบบใหม่แล้ว ความจำเป็นในการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมคอมพิวเตอร์เกิดขึ้นจากความพยายามในการสร้างชิปคอมพิวเตอร์ให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นด้วย โดยในปีค.ศ.1965 Gordon Moore ผู้ก่อตั้งและอดีตผู้บริหารระดับสูงของ Intel ได้ตั้งข้อสังเกตว่าในทุกๆ สองปีราคาของชิปคอมพิวเตอร์จะถูกลงครึ่งหนึ่ง ในขณะที่จำนวนของทรานซิสเตอร์บนชิปนั้นจะเพิ่มเป็นสองเท่า ข้อสังเกตนี้เรียกว่า Moore’s law ซึ่งยังคงจริงโดยประมาณมาจนถึงปัจจุบันแม้ว่าเวลาจะผ่านไปถึง 50 กว่าปีแล้วก็ตาม อย่างไรก็ดีการลดขนาดของทรานซิสเตอร์แต่ละตัวให้เล็กลงมากๆ นั้นทำให้ทรานซิสเตอร์เริ่มแสดงคุณสมบัติเชิงควอนตัมมากขึ้น นี่เป็นเหตุผลและความจำเป็นส่วนหนึ่งที่ผลักดันให้เกิดการประยุกต์ทฤษฎีควอนตัมมาในการสร้างคอมพิวเตอร์

 

 

โดยหลักการแล้วควอนตัมคอมพิวเตอร์นั้นมีความสามารถในการทำงานบางอย่างได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าคอมพิวเตอร์ยุคปัจจุบันซึ่งเกิดจากวิธีการประมวลผลข้อมูลที่แตกต่างกันตั้งแต่ในระดับพื้นฐาน ในตอนต้นเราได้กล่าวถึงขนาดของควอนตัมคอมพิวเตอร์ในหน่วยคิวบิท (qubit) คิวบิทคือหน่วยเก็บข้อมูลพื้นฐานของควอนตัมคอมพิวเตอร์ซึ่งเทียบเคียงได้กับบิท (bit) ในคอมพิวเตอร์ปกติ แต่สถานะของคิวบิทนั้นจะสามารถเป็นทั้ง “1” และ “0” พร้อมๆกันได้และยังส่งผลต่อกันและกันได้อย่างรวดเร็ว ปรากฏการณ์พิเศษทางควอนตัมทั้งสองนี้เรียกว่าการทับซ้อนและการพัวพันของสถานะเชิงควอนตัม (superposition และ entanglement) ความเร็วในการคำนวณของควอนตัมคอมพิวเตอร์ส่วนหนึ่งเกิดจากความสามารถในการประมวลผลทุกค่าที่เป็นไปได้ของตัวแปรทั้งหลายได้ในเวลาเดียวกันนี้และในกระบวนการคำนวณนั้นจะค่อยๆ ลดความน่าจะเป็นที่จะได้ค่าสุดท้ายที่ไม่ใช่คำตอบออกไปโดยอัตโนมัติ ในขณะที่กระบวนการคำนวณในคอมพิวเตอร์ทั่วไปในปัจจุบันนั้นจะทำได้แค่เพียงลองประมวลผลทีละค่าเท่านั้น ยกตัวอย่างเช่น ในการค้นหาข้อมูลบางอย่างจากฐานข้อมูลจำนวนมาก เช่น การค้นหาเบอร์โทรศัพท์หรือเลขประจำตัวผู้เสียภาษีในฐานข้อมูลประชากรที่คอมพิวเตอร์ปัจจุบันต้องค้นทีละเบอร์จนกว่าจะเจอ แต่ควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูง (นั่นคือมีจำนวนคิวบิทที่สามารถใช้ประมวลผลข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพมากพอ) จะสามารถค้นหาข้อมูลได้โดยการเข้าถึงข้อมูลทุกตัวพร้อมๆกันทำให้เกิดการค้นหาที่รวดเร็วขึ้นมาก  นอกจากนี้ควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงยังสามารถแก้ปัญหาการหารูปแบบที่ดีที่สุดได้ดี (ปัญหาการหารูปแบบที่ดีที่สุด หรือ Optimization คือปัญหาที่มีวิธีมากมายที่ให้ผลลัพธ์เหมือนกันแต่ต้องการหารูปแบบที่ประหยัดทรัพยากรที่สุดเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ดังกล่าว)  ซึ่งปัญหาประเภทนี้เป็นปัญหาที่ซับซ้อนแต่ซ่อนอยู่ในหลายๆบริบทในชีวิตประจำวันและรูปแบบที่ดีที่สุดที่ได้มาอาจทำให้เกิดความเปลี่ยนแปลงอย่างใหญ่หลวง เช่น การหารูปแบบการลงทุนในตลาดหุ้นเพื่อให้ได้ผลตอบแทนสูงที่สุดว่าควรจะต้องลงทุนในหุ้นกี่ตัวและเป็นสัดส่วนเท่าใดในงบประมาณที่กำหนด หรือการหารูปแบบการจัดการจราจรในเมืองให้มีประสิทธิภาพ ซึ่งในปัจจุบันได้มีการทดลองปรับปรุงสภาพการจราจรในมหานครปักกิ่งด้วยใช้การคำนวณเชิงควอนตัมโดยความร่วมมือระหว่างบริษัท Google บริษัท D-Wave และบริษัท Volkswagen หรือการหารูปแบบปีกเครื่องบินที่ดีที่สุดโดยอาศัยหลักการคำนวณเชิงควอนตัมมาช่วยในการแก้ปัญหาซึ่งเป็นโครงการที่ริเริ่มโดยบริษัท Airbus  และจากความสามารถในการค้นหาข้อมูลและหารูปแบบที่ดีที่สุดได้เหนือกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไปนี้ ทำให้มีการคาดการณ์ว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์อาจช่วยยกระดับความสามารถของปัญญาประดิษฐ์ให้สามารถทำงานได้รวดเร็วยิ่งขึ้นไปกว่าที่คอมพิวเตอร์ปัจจุบันทำได้อีกด้วย  อีกปัญหาหนึ่งที่สำคัญและอันที่จริงเป็นจุดเริ่มต้นที่แท้จริงของแนวคิดเรื่องการใช้หลักการควอนตัมมาสร้างคอมพิวเตอร์คือการศึกษาปรากฏการณ์ในระดับอะตอมและโมเลกุล เช่น การจำลองโครงสร้างทางเคมีเพื่อช่วยในการสังเคราะห์วัสดุใหม่ๆหรือหาสูตรทางเคมีของยารักษาโรค รวมถึงการจำลองการขดตัวของโปรตีน (Protein folding)  โดยคุณสมบัติของโปรตีนที่จะทำปฏิกิริยากับสิ่งอื่นๆ นั้นขึ้นอยู่กับการขดตัวของมัน  การหารูปแบบการขดตัวได้เร็วจะทำให้การคาดเดาคุณสมบัติโปรตีนทำได้รวดเร็วแม่นยำมากขึ้น และอาจนำไปสู่การหาสาเหตุและแนวทางการรักษาโรคต่างๆ ในอนาคตได้  ทั้งนี้ในปัจจุบันปัญหาการขดตัวของโปรตีนนี้จัดว่าเป็นปัญหาที่ใช้เวลาในนานมากในการหาคำตอบ มีการประมาณว่าหากถ้าใช้คอมพิวเตอร์ธรรมดาหาผลลัพธ์เหล่านี้อาจต้องใช้เวลาคำนวณนานกว่าอายุของจักรวาลเพื่อที่จะได้ผลของการค้นคิดยารักษาโรคจากโปรตีนนี้

 

ปัจจุบันมีบริษัทเทคโนโลยีบางเจ้าที่เริ่มมีการสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ของตนเอง เช่น IBM มีชิปควอนตัมขนาด 50 คิวบิท Google มี 72 คิวบิท และ Rigetti บริษัทสตาร์ทอัพน้องใหม่กำลังทำการสร้างชิปขนาด 128 คิวบิท เป็นต้น  ทั้งนี้บางบริษัทยังได้เปิดให้คนทั่วไปสามารถลองใช้ควอนตัมคอมพิวเตอร์ของบริษัทโดยไม่เสียค่าใช้จ่ายผ่านระบบ cloud ได้แล้ว เช่น IBM Q Experience ซึ่งเป็น cloud service ที่ใช้ได้ง่าย และเริ่มต้นศึกษาได้ในเวลาอันสั้นจาก web interface ถ้าผู้ใช้งานต้องการเขียนโปรแกรมด้วยตนเอง IBM ยังมี Qiskit เป็นภาษา Python ที่จะติดต่อไปยังควอนตัมคอมพิวเตอร์เพื่อทำการประมวลผลทำให้สะดวกและง่ายดายในการทดลอง และศึกษาความเป็นไปได้ในการนำควอนตัมคอมพิวเตอร์มาประยุกต์ใช้งานในอนาคต


จากทั้งหมดที่กล่าวมา คงพอทำให้ผู้อ่านได้เข้าใจภาพคร่าวๆ ว่าเทคโนโลยีควอนตัมคอมพิวเตอร์คืออะไรและการมาถึงของเทคโนโลยีนี้อาจช่วยเปลี่ยนโลกได้อย่างไรบ้าง อย่างไรก็ตามลำดับขั้นของการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันนั้นยังนับว่าอยู่ในช่วงเริ่มต้น ปัจจัยสำคัญที่สุดอันหนึ่งที่ยังเป็นปัญหาใหญ่สำหรับนักวิจัยในสาขานี้ทั่วโลกก็คือการพยายามทำให้ระบบของควอนตัมคอมพิวเตอร์มีความเสถียรควบคุมได้ เนื่องจากระบบเชิงควอนตัมนั้นเป็นระบบที่มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมหรือสัญญาณรบกวนต่างๆ มาก ซึ่งจะทำให้ผลการคำนวณต่างๆ เกิดความผิดพลาดได้ง่าย การพยายามหาวิธีการป้องกันสัญญาณรบกวนเหล่านี้จึงเป็นโจทย์หลักที่จะส่งผลต่อพัฒนาการของเทคโนโลยีนี้ในอนาคตควบคู่ไปกับความพยายามในการหาวิธีการประยุกต์ใช้ระบบที่ไม่เสถียรเท่าที่มีอยู่ในตอนนี้เพื่อทำประโยชน์บางอย่างที่เหนือกว่าที่ซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันสามารถทำได้

 

บทความด้วยทีม QuTE ซึ่งเป็นทีม R&D finalist จากโครงการ U.REKA

สามารถติดตามเนื้อหาและบทความดีๆ จากทีม QuTE ได้ที่: https://web.facebook.com/quteth/