ควอนตัมคอมพิวเตอร์

ควอนตัมคอมพิวเตอร์คือ คอมพิวเตอร์ในอุดมคติที่จะทำงานบนสมมติฐานการคำนวณตามพฤติกรรมของอนุภาค( atom ) และอนุภาคย่อย ( sub-atom ) สสารโดยธรรมชาติแล้วจะปฏิบัติตาม กฏกลศาสตร์ควอนตัม ( quantum mechanics ) ที่เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ในระดับพื้นฐานคือ ระดับอนุภาค ที่พบว่าในจักรวาลเล็ก ๆของอนุภาคนี้ ตัวมันจะประพฤติตัวแปลก ๆคือมันสามารถมีสถานะได้มากกว่าหนึ่งสถานะในเวลาเดียวกัน ( สถานะทับซ้อน : superposition ) และสามารถมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคอื่น ๆที่อยู่ห่างไกลมาก ๆได้ ด้วยเหตุนี้จึงมีความพยายามที่จะใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ควอนตัมเหล่านี้ ให้กำเนิดควอนตัมคอมพิวเตอร์ขึ้นมา ด้วยหวังว่ามันจะสามารถประมวลผลข้อมูลได้ในรูปแบบที่แปลกใหม่ที่มีอานุภาพมากกว่า และมีสัญญาณว่าจะประสบความสำเร็จในอนาคต

คลาสสิกคอมพิวเตอร์ VS ควอนตัมคอมพิวเตอร์

คอมพิวเตอร์ที่เราใช้ในปัจจุบันเป็นที่รู้จักกันในชื่อว่าคลาสสิกคอมพิวเตอร์ มันเป็นเครื่องมือที่ใช้ขับเคลื่อนโลกมานานหลายทศวรรษแล้ว การก้าวย่างเข้าไปเป็นทุกสิ่งทุกอย่างของมนุษย์ตั้งแต่ การเรียน การทำงาน สุขภาพ การเงิน สังคมสื่อสาร ความบันเทิง หรือแม้แต่วิธีซื้อสินค้า มันได้สร้างความสะดวก และช่วยให้การดำเนินชีวิตของมนุษย์ดีขึ้น แต่เป็นที่น่าแปลกใจว่ามีบางสิ่งที่ซับซ้อนมากพอ ที่ทำให้คลาสสิกคอมพิวเตอร์ไม่สามารถแก้ปัญหานั้นได้ ซึ่งเรามักไม่ค่อยได้ยินถึงเรื่องเหล่านี้บ่อยนักเช่น การวิเคราะห์หาโครงสร้างอันซับซ้อนทางเคมี การคำนวณหาค่าแฟคทอเรียล ( ! ) ของตัวเลขขนาดใหญ่ การหาตัวประกอบของตัวเลขที่มีค่ามาก ๆ เป็นต้น ซึ่งปัญหาเหล่านี้ดูเหมือนว่ามันเป็นปัญหาเล็กน้อยสำหรับคนทั่ว ๆไปคือเราไม่ได้ใช้มันในชีวิตประจำวันของเราโดยตรง แต่จริง ๆแล้วมันมีความสำคัญมากในเชิงเทคนิคกับนักวิจัย นักประดิษฐ์ หรือบุคคลที่อยู่ในแวดวงเฉพาะทาง แต่จะเกิดผลโดยอ้อมกับเราในฐานะผู้ใช้ประโยชน์จากผลงานที่ออกมาในภายหลัง

::: โครงสร้างทางเคมี เป็นการระบุชนิดของธาตุต่าง ๆ และการจัดเรียงตัวของมันในสารประกอบ ซึ่งมีประโยชน์ในการทำวิจัยเกี่ยวกับยาใหม่ ๆเพื่อใช้ทางการแพทย์ หรือสารเคมีใหม่ ๆที่ใช้ในอุตสาหกรรม

::: ค่าแฟคทอเรียล ( ! ) เป็นสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ที่ใช้เพื่อย่อกระบวนการคำนวณในรูปแบบดังนี้

2 ! ( อ่านว่า สองแฟคทอเรียล ) หมายถึง 1×2 มีค่าเท่ากับ 2

5 ! ( อ่านว่า ห้าแฟคทอเรียล ) หมายถึง 1x2x3x4x5 มีค่าเท่ากับ 120

10 ! มีค่าเท่ากับ 3628800

ซึ่งการใช้แฟคทอเรียลจะมีอยู่ในการคำนวณทางคณิตศาสตร์เรื่องความน่าจะเป็น เช่นหากจะจัดคน 10 คนเข้าไปนั่งบนเก้าอี้ที่ตั้งอยู่รอบโต๊ะกลมตัวหนึ่งในงานเลี้ยง จะมีถึง 362880 วิธีที่จะเป็นไปได้ ซึ่งการคำนวณแปลก ๆแบบนี้ มีประโยชน์ในเชิงตรรกะที่สามารถนำไปสู่การสร้างปัญญาประดิษฐ์ต่าง ๆ

::: การหาตัวประกอบของตัวเลขจำนวนมาก ๆในคณิตศาสตร์  กรณีที่เป็นเลขจำนวนน้อย ๆเช่น 21 จะมีตัวประกอบคือ 3×7 หรือ 35 ก็จะมี 7 กับ 5 เป็นตัวประกอบ ซึ่งการแยกตัวประกอบของเลขจำนวนน้อย ๆ 2 หลักดังตัวอย่างข้างต้นทำได้ไม่ยากเลย แต่ถ้าหากตัวเลขมีขนาดใหญ่มาก ๆเช่นมี 100 หลัก การใช้คลาสสิกคอมพิวเตอร์มาประมวลผลอาจใช้เวลานานหลายปีจึงจะได้คำตอบ ในองค์กรสำคัญ ๆระดับประเทศอาจนิยามการเข้ารหัสลับขององค์กรด้วยโมเดลประหลาด ๆอย่างการแยกตัวประกอบของเลขที่มีขนาดมหึมา หรือการแก้สมการยาก ๆที่เรียกว่า factoring problems ที่หากว่ามีเครื่องมือซึ่งสามารถทำได้ เครื่องมือนั้นก็จะมีศักยภาพในการเข้าไปทำลายรหัส RSA ได้

หน่วยเล็กที่สุดของคลาสสิกคอมพิวเตอร์ที่เราใช้กันในปัจจุบันคือ บิท ( bit ) ที่ใช้ ตัวเลขในระบบไบนารี ( binary ) ที่เป็น 1 หรือ 0 สถานะใดสถานะหนึ่ง เป็นการแสดงสถานะที่ตรงข้ามกันเช่น เปิด/ปิด, ขึ้น/ลง, 1/0 ด้วยความสามารถในการแสดงสถานะได้จำกัด ทำให้การประมวลผลของคลาสสิกคอมพิวเตอร์ทำได้ทีละคำสั่ง การแก้ปัญหาที่ซับซ้อนดังตัวอย่างข้างตันจะต้องใช้เวลานาน หรือต้องพัฒนาเพิ่มขึ้นอีกมากซึ่งมีผลกระทบโดยตรงต่อการใช้ทรัพยากร

ในขณะที่หน่วยเล็กที่สุดของควอนตัมคอมพิวเตอร์คือ ควอนตัมบิท ( quantumbit ) เขียนย่อเป็น qubit ( อ่านว่า คิวบิท ) ซึ่งแสดงสถานะได้หลากหลายกว่าบิทในคลาสสิกคอมพิวเตอร์คือ มันเป็นได้ทั้ง 1 หรือ 0 หรือทั้ง 1 และ 0 ได้พร้อม ๆกัน ซึ่งเป็นผลให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถประมวลผลแบบขนานได้ นั่นหมายถึงว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถประมวลผลได้นับล้านคำสั่งได้ในคราวเดียว ในขณะที่คลาสสิกคอมพิวเตอร์ทำได้ทีละคำสั่ง ยิ่งมีจำนวนคิวบิทมากขึ้นเท่าไร ศักยภาพของควอนตัมคอมพิวเตอร์ก็จะมีมากขึ้นเท่านั้น จากการประเมินพบว่า ควอนตัมคอมพิวเตอร์ขนาด 30 คิวบิท จะมีความเร็วเท่ากับ 10 เทราฟลอพ ( teraflops: หน่วยวัดความเร็วในคอมพิวเตอร์ที่ใช้ในปัจจุบัน ) ซึ่งพบว่าในซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ดีที่สุด มีความเร็วเพียง 2 เทราฟลอพเท่านั้น

ปัญหาก็คือความเร็วในการประมวลผลของคอมพิวเตอร์คลาสสิกในปัจจุบัน มันขึ้นกับจำนวนทรานซิสเตอร์ ที่ต้องมีมากขึ้นไปเรื่อย ๆ หากว่ากันตามกฎของมัวร์ ที่ว่า จำนวนทรานซิสเตอร์บนแผงวงจรจะเพิ่มขึ้นเป็นเท่าตัวทุก ๆสองปี การบรรจุทรานซิสเตอร์จำนวนมากลงบนพื้นที่อันจำกัดให้ได้นั้น มีความจำเป็นต้องออกแบบทรานซิสเตอร์ให้มีขนาดเล็กลงไปเรื่อย ๆ จนถึงวันนี้มันมีขนาดเพียงแค่ 9 นาโนเมตร ซึ่งเล็กมาก ๆ จึงเกิดความวิตกกันในหมู่อัจฉริยะว่า ในเบื้องหน้าคงไม่สามารถทำให้มันเล็กไปกว่านี้ได้อีก เพราะหากว่ามันมีขนาดเล็กไปมากกว่านี้แล้ว มันจะขาดความเสถียร ซึ่งการมีขนาดที่เข้าใกล้ระดับอะตอม  การอธิบาย หรือการตั้งสมมติฐานใด ๆ จะไม่สามารถทำได้บนพื้นฐานของทฤษฏีฟิสิกส์แบบเดิม ๆ เพราะสิ่งที่เล็กขนาดนั้น (ระดับอะตอม หรืออนุภาค) จำเป็นต้องอธิบายด้วย ทฤษฏีควอนตัม เท่านั้น ซึ่งในโลกของอะตอมนั้น มันมีหลายปรากฏการณ์ที่อยู่นอกกฎเกณฑ์ปกติของโลกแห่งวัตถุขนาดใหญ่ที่เราคุ้นเคย เป็นเหตุให้การตัดสิน การอธิบาย หรือการตั้งสมมติฐาน โดยใช้สามัญสำนึกปกติ จากทฤษฏีฟิสิกส์แบบดั้งเดิมนั้น ทำไม่ได้เลย

การศึกษาที่มุ่งเน้นการพัฒนาเทคโนโลยีตามหลักการของ ทฤษฏีควอนตัม ซึ่งเป็นการอธิบายลักษณะ และพฤติกรรมของพลังงาน และสสารในระดับอะตอม และอนุภาคขนาดเล็ก ( subatomic ) การพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม หากเป็นไปได้แล้วจะเป็นการก้าวกระโดดไปข้างหน้าในด้านความสามารถทางการคำนวณ และการจัดการกับข้อมูลขนาดใหญ่ ( big data ) ซึ่งจะทำได้รวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อ หากว่ากันตามทฤษฏีของควอนตัมฟิสิกส์แล้ว ควอนตัมคอมพิวเตอร์จะมีพลังความสามารถในการประมวลผลได้อย่างมหาศาลผ่านความสามารถในการทำงานในหลายสถานะ โดยใช้วิธีเรียงสับเปลี่ยนในรูปแบบที่เป็นไปได้ทั้งหมดได้พร้อม ๆกัน กล่าวได้ว่ามันสามารถประมวลผลได้มากถึงล้านคำสั่งต่อวินาที ( MIPS: million instructions per second ) ซึ่งมันรวดเร็วกว่าคอมพิวเตอร์เครื่องไหน ๆก็ตามที่เป็นแบบเดิม ( classic computer ) ที่เราใช้กันอยู่ในปัจจุบัน มีการวิจัย และพัฒนาในหน่วยงานต่าง ๆทั้งภาครัฐ และเอกชนในประเทศต่าง ๆทั่วโลกเช่น MIT, IBM, มหาวิทยาลัย Oxford, Los Alamos National Laboratory และมีข่าวออกมาว่าประเทศจีนได้ทำการพัฒนาควอนตัมคอมพิวเตอร์ได้สำเร็จแล้ว โดยจั่วหัวไว้อย่างน่าสนใจว่า ‘ลืมไปเลยเรื่องสงครามการค้า จีนต้องการเอาชนะในสนามรบด้านคอมพิวเตอร์ต่างหาก’ ซึ่งหากว่าเป็นอย่างนั้นจริง ๆ ก็จะเป็นการเปลี่ยนโฉมหน้าของวงการไอที ไม่ว่าจะเป็นเรื่องฐานข้อมูลขนาดใหญ่ การเข้ารหัส การถอดรหัส ( password ) หรือแม้แต่ผลกระทบที่จะมีไปถึงเทคโนโลยี blockchain ที่เป็นพื้นฐานการสร้างเงินดิจิทัลอย่าง Bitcoin ที่เริ่มมีข้อกังวลที่เกี่ยวกับความสามารถที่รวดเร็วของมันจะเข้าไปแก้ไขลายเซ็นดิจิทัล ( digital signature ) ได้หรือไม่ ถึงตอนนั้น Mr. Satoshi Nakamoto ผู้เขียน A P2P Bitcoin Whitepaper อันลือลั่น อาจปรากฏตัวเพื่อเข้าแก้ไขปัญหา ( ขำ ขำ นะ )

มีการให้เหตุผลเกี่ยวกับการใช้คอมพิวเตอร์คลาสสิก ( คือคอมพิวเตอร์ที่เราใช้ในปัจจุบันนี้แหละ ) ว่ามันมีหลักการบางอย่างที่เกี่ยวกับควอนตัม David Deutsch แห่งมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด ได้ให้ความสำคัญกับการวิจัยควอนตัมคอมพิวเตอร์อย่างจริงจัง เขาได้ตั้งข้อสังเกตว่ามันมีความเป็นไปได้อย่างมากที่จะสามารถออกแบบควอนตัมคอมพิวเตอร์ โดยใช้ทฤษฏีควอนตัมเพียงอย่างเดียว การตั้งข้อสังเกตของเขาในที่ประชุมทางทฤษฏีด้านการคำนวณในครั้งนั้นได้จุดประกายให้เกิดการแข่งขัน และเริ่มมีการใช้ประโยชน์จากความคิดนี้

การวิจัยพัฒนาเกี่ยวกับ ควอนตัมคอมพิวเตอร์ ในปัจจุบันยังอยู่ในระยะแรกเริ่ม และมีขีดจำกัดอยู่หลายปัจจัย เช่นต้องทำงานภายใต้อุณหภูมิที่ต่ำมาก ๆ การรักษาเสถียรภาพของอะตอมในสถานะต่าง ๆ ขีดจำกัดในการเพิ่ม qubit เป็นต้น การแข่งขันของสถาบันต่าง ๆ ในหลายประเทศ ต่างก็ออกมาประกาศความสำเร็จในการพัฒนา แต่ที่จริงแล้วในขณะนี้ยังไม่มี ควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่แท้จริงเกิดขึ้น และได้แต่หวังว่ามันจะเกิดขึ้นได้ในอนาคตอันใกล้นี้ หากความหวังนั้นเป็นจริงขึ้นมา คอมพิวเตอร์ควอนตัมนี้ก็จะมีความรวดเร็วในการประมวลผล และมีความฉลาดมากจนเราคาดไม่ถึงจริง ๆ

สำหรับวันนี้ ฝันดี ราตรีสวัสดิ์ครับผม