คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไรและจะพาเราไปที่ไหน

ในช่วงหลายเดือนที่ผ่านมามีการพูดถึงมากมาย การคำนวณควอนตัมเทคโนโลยีใหม่ที่ผู้เชี่ยวชาญหลายคนไม่ลังเลที่จะจัดว่าเป็นอนาคตของคอมพิวเตอร์แม้ว่าเราจะพูดได้โดยไม่ต้องกลัวว่าจะผิดว่ามันยังอยู่ในช่วงวัยเด็กนั่นคือเรายังต้องทุ่มเทเวลาให้กับ การวิจัยและพัฒนาผลิตต้นแบบใหม่และการทดสอบในห้องปฏิบัติการจนกว่าเราจะสามารถใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้ในสภาพแวดล้อมประเภทอื่น ๆ ได้อย่างแท้จริง

อย่างไรก็ตามเรื่องนี้แม้ว่าจะยังมีงานที่ต้องทำอีกมาก แต่ความจริงก็คือมี บริษัท เทคโนโลยีระดับแนวหน้ามากมายที่พยายามค้นหาวิธีที่ดีที่สุดในการเริ่มต้น เอาเปรียบ กับทุกสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมในปัจจุบัน ตามรายละเอียดบอกคุณว่าในบรรดา บริษัท ขนาดใหญ่ที่ทำงานในสาขานี้เราพบ IBM, Microsoft หรือ Google อย่างหลังและแม้จะซับซ้อนเพียงใดในการทราบประสิทธิภาพของเทคโนโลยีนี้ในปัจจุบันซึ่งได้ประกาศเมื่อไม่กี่เดือนที่ผ่านมาว่าล่าสุด ต้นแบบขนานนาม D-Wave 2X มันคือ เร็วกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป 100 เท่า.

คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร?

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่เรียกว่าตามที่เรากล่าวว่าเป็น อนาคตของคอมพิวเตอร์. สิ่งแรกที่โดดเด่นเป็นพิเศษเกี่ยวกับเรื่องนี้คือในขณะที่ทำงานกับบิตที่เรียกว่าหน่วยข้อมูลขั้นต่ำที่สามารถมีได้เพียงสองค่า (ศูนย์หรือหนึ่ง) ในเทคโนโลยีใหม่และซับซ้อนนี้เรากำลังดำเนินการ ที่เรียกว่า qubits โดยที่ไม่เพียง แต่จะมีศูนย์หรือหนึ่งเท่านั้น แต่ยังเป็นไปได้ว่ามีการทับซ้อนกันหรือทั้งสองอย่างรวมกัน

เพื่ออธิบายสิ่งนี้ให้ดีขึ้นเล็กน้อยเราต้องใช้ฟิสิกส์และโดยเฉพาะตามที่ผู้เชี่ยวชาญบางคนอธิบาย หลักการอนุรักษ์พลังงานซึ่งจะดูเหมือนคุณอย่างแน่นอนและนั่นอธิบายได้ว่าพลังงานของระบบแยกนั้นได้รับการอนุรักษ์ไว้เสมอ หลักการนี้บอกอะไรเราก็คือถ้าเราสามารถประดิษฐ์ระบบที่เราสามารถใส่แก้วได้เพียงใบเดียวไม่มีแรงเสียดทานอยู่ในนั้นและมันจะหมุนด้วยความเร็วประมาณ 5 รอบต่อวินาทีเพราะไม่มี อิทธิพลภายนอกมันจะหมุนด้วยความเร็วเท่ากันเสมอ

ต่อด้วยตัวอย่างลองจินตนาการว่าในช่วงเวลาหนึ่งแก้วของเราถูกแบ่งออกเป็นสองส่วน ยังไม่มีอิทธิพลภายนอกดังนั้นควรรักษาความเร็วในการเลี้ยวนี้ไว้ ด้วยวิธีนี้หากหนึ่งในสองแก้วยังคงหมุนที่ 5 รอบต่อวินาทีอีกอันไม่สามารถหมุนได้เนื่องจากการหมุนจะปรากฏขึ้นจากที่ไหนเลยสิ่งที่ฟิสิกส์บอกว่าไม่สามารถเกิดขึ้นได้ โดยทั่วไปหลักการนี้บอกเราว่าถ้าเรารู้ความเร็วในการหมุนของแว่นอันใดอันหนึ่งคุณจะรู้โดยอัตโนมัติว่าอันไหนคืออีกอันเนื่องจากมันถูกพันกัน

แม้ว่าตัวอย่างอาจจะไม่ค่อยดีนัก แต่ฉันหวังว่าคุณจะเข้าใจมัน แต่ก็ช่วยให้เรารู้ว่าแม้ว่าสถานะของ qubits อาจมีได้หลายแบบ แต่ความจริงก็คือ การรู้สถานะหนึ่งช่วยให้เรารู้สถานะของอีกสถานะหนึ่งแต่มันอาจจะไกล

ตอนนี้สิ่งนี้อาจซับซ้อนขึ้นเล็กน้อยเนื่องจากในตัวอย่างที่เราให้มาเรารู้ว่าหนึ่งในเรือที่มีปัญหานั้นมีความเร็วและทิศทางในการหมุนที่เฉพาะเจาะจงสิ่งที่ในโลกควอนตัมไม่ได้เป็นเช่นนั้นอีกต่อไปนับตั้งแต่ สองหน่วยในโลกนี้สามารถมีความเร็วและทิศทางการหมุนซ้อนทับกันได้หลายแบบสิ่งที่เกิดขึ้นก็คือในขณะที่วัดความเร็วเราจะกำหนดทิศทาง

ฟิสิกส์ควอนตัมยังคงมีความซับซ้อนมากขึ้นด้วย การทับซ้อนของรัฐแต่ความจริงก็คือระดับฟิสิกส์ของฉันค่อนข้าง จำกัด แม้ว่าฉันคิดว่าแม้ว่าคุณจะเป็นนักฟิสิกส์ แต่คุณจะพบความไม่ถูกต้องบางอย่าง แต่ฉันคิดว่าแนวคิดนี้ชัดเจนที่จะใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมต่อไป

เมื่อเราจัดการกับทฤษฎีทางกายภาพได้สักครู่แล้วก็ถึงเวลาที่ต้องดำเนินการต่อด้วยการคำนวณควอนตัมและควิทเพื่อ ทำความเข้าใจว่าเหตุใดเทคโนโลยีนี้จึงมีประสิทธิภาพมาก. ลองนึกภาพว่าเรามี qubits ตามที่เราได้กล่าวไปแล้วตัวอย่างเช่นการหมุนหนึ่งในสี่ของการเลี้ยวจะทำให้การหมุนในแนวตั้งและแนวนอนถูกแก้ไขซึ่งทำให้เราได้รับผลจากการดำเนินการป้อนข้อมูล เราได้ผลลัพธ์สองอย่าง

หากเราทำให้ปัญหาซับซ้อนขึ้นอีกเล็กน้อยโดยการเพิ่ม qubit ใหม่ลงในสมการเราพบว่าแต่ละอันมีหลายสถานะการสั่นในแนวตั้งและแนวนอนของตัวเองและการสั่นในแนวตั้งและแนวนอนของ qubit อื่นในตอนนี้โดยการเปลี่ยนหนึ่งในนั้น มีการปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์สี่ตัวซึ่งหมายความว่าด้วยการดำเนินการป้อนข้อมูลสามารถดำเนินการได้สี่อย่าง

ด้วยการเพิ่ม qubits ใหม่ให้กับการดำเนินการมันสามารถเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณในแง่ของการดำเนินการที่ดำเนินการด้วยการป้อนข้อมูลเพียงครั้งเดียว ลองนึกภาพว่าเราได้รับระบบที่เรามี n qubits โดยที่ n คือจำนวนที่คุณเลือกแบบสุ่มตามที่เราได้แสดงความคิดเห็นไว้ก่อนหน้านี้ qubit จะเก็บข้อมูลเกี่ยวกับการสั่นในแนวตั้งและแนวนอนรวมถึง qubits ทั้งหมดของระบบดังนั้น ด้วยการเปลี่ยนแปลงที่เราสามารถทำได้ ดำเนินการ 2 ยกปฏิบัติการ.

ทิ้งทฤษฎีทั้งหมดนี้ไว้เล็กน้อยและนำสิ่งเหล่านี้ไปปฏิบัติลองนึกดูว่าคุณสามารถสร้างคีย์ WPA2-PSK สำหรับสัญญาณ WiFi ของคุณได้คีย์นี้ถูกสร้างขึ้นแบบสุ่มโดยไม่มีคำพูดจริงและไม่มีโปรแกรมใดในโลกที่สามารถทำงานได้ การโจมตีด้วยพจนานุกรมสามารถรู้ได้ เห็นได้ชัดและตามที่ผู้เชี่ยวชาญระบุว่าการใช้รหัสผ่าน 10 อักขระอาจใช้คอมพิวเตอร์ทั่วไป หลายปีที่ดำเนินการโจมตีด้วยกำลังดุร้าย. หากคอมพิวเตอร์เครื่องนี้แทนที่จะเป็นอุปกรณ์ธรรมดาใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม จะใช้เวลาหลายวินาที ในการหาทางออก

คอมพิวเตอร์ควอนตัมพาเราไปที่ใด

ความจริงก็คือในขณะนี้ไม่มีใครรู้ว่าเราควรคาดหวังอะไรจากเทคโนโลยีที่แปลกใหม่เช่นนี้บางทีวิธีที่ดีที่สุดในการทำความเข้าใจว่าเราอยู่ที่ไหนในปัจจุบันคือการพยายามพูดคุยเกี่ยวกับข่าวทั้งหมดที่ บริษัท เทคโนโลยีขนาดใหญ่มี นำเสนอในช่วงหลายเดือนที่ผ่านมาทีมนักวิจัยทำงานอย่างไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อยในการพัฒนาและวิวัฒนาการของคอมพิวเตอร์ควอนตัมทั้งในระดับฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์

ตามผลงานล่าสุดที่ Google เขาได้แสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับความแปลกใหม่บางอย่างในสาขานี้เราพบว่าพวกเขาหวังว่าจะเป็น บริษัท ที่มีความสามารถมากที่สุดในแง่ของการคำนวณควอนตัมในระยะสั้น นั่นเป็นกรณีที่พวกเขาหวังว่าจะก้าวไปถึงขั้นตอนแรกในปี 2017 นี้ด้วยวิวัฒนาการของ D-Wave ที่น่าประทับใจซึ่งเพิ่งได้รับใหม่ ชิป qubit หกตัว.

หากเราดำเนินการเผยแพร่ล่าสุดโดยคนจาก Google เราพบว่านี่เป็นเพียงขั้นตอนแรกนับตั้งแต่พวกเขาได้จัดการพัฒนาวิธีการผลิตแบบใหม่ที่จะช่วยให้พวกเขาได้หรืออย่างน้อย John Martinis ก็แสดงออกเช่นนี้ หัวหน้ากลุ่มวิจัยของ Google เกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีวิวัฒนาการเร็วขึ้นมาก สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสามารถทำงานกับการออกแบบชิปใหม่ของ ระหว่าง 30 ถึง 50 qubits.

ในทางกลับกัน Google ไม่ลืมว่าไม่ว่าคุณจะได้รับพลังงานฮาร์ดแวร์มากแค่ไหนคุณก็ต้องมี ซอฟต์แวร์ ซึ่งอาจจะเท่ากันและด้วยความเชี่ยวชาญของระบบประเภทนี้ในขณะนี้เราไม่ทราบแน่ชัดว่าจะพัฒนาภาษาที่สามารถใช้ประโยชน์จากลักษณะเฉพาะทั้งหมดของเทคโนโลยีนี้ได้อย่างไรแม้ว่าจะทีละเล็กทีละน้อยก็ตาม นอกจากนี้ยังประสบความสำเร็จในขั้นตอนใหม่ในสาขานี้ซึ่งอาจมีผลกระทบพิเศษและใช้ในหัวข้อต่างๆเช่นความปลอดภัยการเข้ารหัสหรือปัญญาประดิษฐ์

เราต้องออกจาก Google กันต่อไป ไอบีเอ็มบริษัท ที่มักจะไม่ได้ต่อสู้กับความก้าวหน้าและอาจดูเหมือนจะเป็น 'ทางของตัวเอง' เล็กน้อย แต่นั่นก็ทำให้เกิดความก้าวหน้าที่น่าทึ่งมากเช่นสำหรับแนวคิดในการรับนักพัฒนาทุกประเภท เกี่ยวข้อง เขาเป็นความคิดที่แม่นยำของ สร้าง สถาน ซึ่งผู้ใช้สามารถทดสอบชิป qubit ห้าตัวได้.

เกี่ยวกับ ไมโครซอฟท์ไม่กี่เดือนที่ผ่านมาเรามีข้อมูลว่าพวกเขายังคงทำงานด้วยวิธีการที่แปลกใหม่ในการทำความเข้าใจคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยวางเดิมพันบนเส้นทางที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากคู่แข่งในการแข่งขันที่แปลกประหลาดเช่น Google หรือ IBM แนวคิดหลักคือการทำงานกับไฟล์ คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ปรับขนาดได้. ในการพัฒนาแนวคิดนี้ บริษัท ได้ว่าจ้างนักวิจัยที่มีชื่อเสียงหลายคนเพื่อพัฒนาสิ่งที่เรียกว่า qubits โทโพโลยีระบบที่มีพื้นฐานมาจากการแทรกสอดของอนุภาคที่เรียกว่า anyones ซึ่งตามหลักฟิสิกส์นั้นมีอยู่ในสองมิติเท่านั้น

ในที่สุดฉันก็อยากจะยุติวิสัยทัศน์ที่พวกเขามี อินเทลโดยที่พวกเขาเดิมพันโดยตรงกับการใช้ทรานซิสเตอร์ซิลิกอนสำหรับเทคโนโลยีใหม่นี้หรือโครงการที่น่าสนใจซึ่งได้รับการพัฒนาและดำเนินการร่วมกันโดย มหาวิทยาลัย Bristol และ บริษัท NTT จากการที่พวกเขาได้พัฒนาชิปโฟโตนิกที่อาจเป็นพื้นฐานสำหรับการทำงานหลายอย่างพร้อมกันในคอมพิวเตอร์ควอนตัม ในรายละเอียดบอกคุณว่าตามที่ผู้รับผิดชอบใช้ชิปใหม่นี้งานที่จนถึงตอนนี้ใช้เวลาทั้งปีสามารถดำเนินการได้ในเวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมงซึ่งเป็นสิ่งที่บ่งบอกถึงระดับความซับซ้อนของสิ่งเดียวกันและ โดยเฉพาะพลังที่ยอดเยี่ยม

แม้ว่าจะมีการย่อขนาดการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและด้านอื่น ๆ เพื่อให้บรรลุปีแล้วปีเล่าเพื่อให้สามารถพัฒนาและนำเสนอคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ความจริงก็คืออนาคตคือการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในบ้านทุกหลัง ยังคงมีให้เห็นอยู่ว่า Google สามารถพัฒนาชิป 50 qubit ได้อย่างแท้จริงภายในสิ้นปีนี้หรือไม่แม้ว่าเราจะต้องยอมรับว่า บริษัท ประเภทนี้ ผู้เชี่ยวชาญในการทำให้วันพรุ่งนี้เป็นสิ่งที่เราคิดว่าเป็นไปไม่ได้ในวันนี้.