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

ภาพชิพควอนตัมขนาด 9 คิวบิตที่ถูกสร้างขึ้นจากโมเดล digitized adiabatic quantum computing ถ่ายโดย Julian Kelly (ที่มาภาพ: Google Research Blog)

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

วงจรของอัลกอริทึมควอนตัม Deutsch-Jozsa ซ้ายมือสุดคือสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์แทนคิวบิต รูปสี่เหลี่ยมที่เห็นอยู่ตรงกลางคือเกตควอนตัม รูปมิเตอร์ทางด้านขวานั้นคือตัว measurement คิวบิตจะวิ่งจากซ้ายมือ ผ่านเกต มาทางขวามือ (ที่มาภาพ: Wikipedia)

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 :)