ประเด็นควอนตัม: เราไม่มีทางรู้อนาคตได้อย่างแท้จริง

ผู้คนถกเถียงกันมานานกว่าทศวรรษแล้วว่า คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นภัยคุกคามที่เกิดขึ้นได้จริงต่อเครือข่าย บิทคอยน์ หรือไม่ เรื่องนี้เป็นประเด็นสนทนาที่จริงจังเมื่อ over 13 ปีก่อน ตอนที่ผมเพิ่งรู้จักบิทคอยน์ด้วยตัวเอง

นับตั้งแต่ช่วงแรก ๆ ที่ผมยังเป็นแค่คนโง่เง่าที่พยายามทำความเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้น ก็มีความก้าวหน้าไม่น้อย ทั้งในด้านทฤษฎีและวิศวกรรมที่ใช้งานได้จริง

นับจากนั้นก็มีหมุดหมายสำคัญ 2 ประการที่ทำให้โอกาสสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริงภายในราวทศวรรษหน้ามีความเป็นไปได้มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าเทคโนโลยีนี้จะเข้าถึงได้อย่างแพร่หลายโดยอัตโนมัติ หรือแม้แต่จะเข้าถึงได้ค่อนข้างง่ายสำหรับผู้ที่มีเงินทุนจำนวนมาก

แต่ก็เป็นไปได้มากว่าจะมีการสร้างเครื่องที่ใช้งานได้จริงจำนวนหนึ่งขึ้นในอนาคตอันใกล้

ความก้าวหน้าในการแก้ไขข้อผิดพลาด

ความก้าวหน้าสำคัญประการแรกคือการแก้ไขข้อผิดพลาด เนื่องจากการทำงานในระดับที่เล็กมากเช่นนี้มีสัญญาณรบกวนในตัว การสร้างคิวบิตเชิงตรรกะที่นำไปใช้คำนวณได้จริงจึงต้องอาศัยคิวบิตเชิงกายภาพหลายตัวที่ทำงานซ้ำซ้อนกัน

วิธีที่ถือว่าทันสมัยที่สุดก่อนหน้านี้คือ surface code ซึ่งเป็นการจัดกลุ่มคิวบิตเชิงกายภาพหลายตัวเข้าด้วยกันเป็นตาราง และใช้บางตัวเป็นคิวบิตตรวจสอบ เพื่อคอย "ตรวจสอบ" คิวบิตข้างเคียงเป็นระยะว่ามีข้อผิดพลาดภายในเกิดขึ้นในสถานะซ้อนทับหรือไม่ (โดยไม่ทำให้สถานะซ้อนทับยุบตัว) ช่องว่างในแต่ละตารางต้องเติมด้วยคิวบิตตรวจสอบ

ความจำเป็นในการใช้คิวบิตตรวจสอบนี้ทำให้เกิดภาระเพิ่มเติมที่อาจสูงถึงเกือบ 1,000 คิวบิตเชิงกายภาพต่อคิวบิตเชิงตรรกะหนึ่งตัว และยิ่งมีปัญหาเมื่อขยายขนาด เพราะคิวบิตตรวจสอบตรวจสอบได้เฉพาะคิวบิตที่อยู่ติดกันเท่านั้น ดังนั้นการจัดกลุ่มคิวบิตแต่ละกลุ่มจึงต้องมีคิวบิตตรวจสอบกระจายอยู่ในระยะห่างที่เท่า ๆ กัน

โค้ดควอนตัม low-density parity-check (qLDPC) ช่วยขจัดข้อจำกัดนี้ โดยเปิดให้คิวบิตตรวจสอบตรวจสอบคิวบิตอื่นที่อยู่ห่างออกไปได้ทั่วทั้งอุปกรณ์ (ไม่ว่าจะผ่านเส้นทางเชื่อมต่อที่สานกันเพื่อสื่อสารข้ามส่วนต่าง ๆ ของชิป หรือด้วยการเคลื่อนย้ายอะตอมจริง ๆ เช่นเดียวกับการออกแบบอะตอมเป็นกลาง) สิ่งนี้ช่วยลดจำนวนคิวบิตเชิงกายภาพที่จำเป็นต่อการสร้างคิวบิตเชิงตรรกะที่เชื่อถือได้ลง 10 เท่า

นี่ไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย แม้จะยังไม่ใช่เครื่องที่ทำงานได้เต็มรูปแบบและกำลังพัฒนาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ แต่ก็เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพด้านวิศวกรรมอย่างมีนัยสำคัญในกระบวนการผลิตคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานได้เต็มรูปแบบ

ความคืบหน้าในการพิสูจน์หลักการพื้นฐาน

ความก้าวหน้าประการที่สองเกี่ยวข้องกับคำถามพื้นฐานที่ว่า ข้อกล่าวอ้างที่ว่าการเพิ่มคิวบิตเชิงกายภาพช่วยลดสัญญาณรบกวนโดยรวมในระบบ แทนที่จะทำให้เพิ่มขึ้นนั้นเป็นจริงหรือไม่ ณ จุดนี้ยังเป็นเพียงทฤษฎี และต้องจำไว้ว่า จนถึงปัจจุบันยังไม่เคยมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานได้เต็มรูปแบบและคำนวณตั้งแต่ต้นจนจบในสิ่งที่คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมทำไม่ได้

Google ทำการทดลองโดยใช้ชิป Sycamore (และต่อมาคือ Willow) เพื่อพิสูจน์ผลของการเพิ่มคิวบิตเชิงกายภาพด้วยการทดลองให้เห็นอย่างชัดเจน เพื่อความชัดเจน นี่ไม่ใช่การสาธิตการคำนวณ แต่เป็นเพียงการสาธิตการจัดเก็บข้อมูลไว้ในหน่วยความจำโดยไม่เสื่อมสลาย

พวกเขาสาธิตโดยใช้คิวบิตเชิงตรรกะที่ประกอบด้วยคิวบิตเชิงกายภาพ 17 ตัว, 49 ตัว และ 101 ตัว ว่าอัตราข้อผิดพลาดเชิงตรรกะ หรือความถี่ที่ ข้อมูลเสียหาย ลดลงเมื่อจำนวนคิวบิตเชิงกายภาพเพิ่มขึ้น การทดสอบนี้ผ่านเกณฑ์สำคัญ โดยคิวบิตเชิงตรรกะที่สร้างจากคิวบิตเชิงกายภาพอิสระยังคงรักษาความสอดคล้องเชิงควอนตัมได้นานกว่าคิวบิตเชิงกายภาพแต่ละตัวที่ประกอบกันขึ้นมา

ขอย้ำอีกครั้งว่า นี่ไม่ใช่การก้าวกระโดดไปสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานได้เต็มรูปแบบและคำนวณสิ่งที่เครื่องแบบดั้งเดิมทำไม่ได้ แต่เป็นความก้าวหน้าสำคัญในการพิสูจน์สมมติฐานพื้นฐานข้อหนึ่งที่รองรับการทำงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

AI

นอกจากนี้ เรายังพบวิธีแก้ปัญหาที่ดีขึ้นในด้านนี้ ไม่ได้มีเพียงเรื่องเหล่านี้เท่านั้น ปัญญาประดิษฐ์กลายเป็นองค์ประกอบสำคัญของระบบเหล่านี้ โดยมีการนำมาใช้ในกระบวนการอ่านและถอดรหัสข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งเป็นคอขวดสำคัญต่อการนำคอมพิวเตอร์ควอนตัมไปใช้ในวงกว้าง

นอกจากนี้ยังมีการใช้ AI ในการพัฒนาอัลกอริทึมควอนตัมใหม่ ๆ ที่ปรับให้เหมาะกับเครื่องประเภทนี้ และเมื่อไม่นานมานี้ AI ยังช่วยแก้ปัญหาสำคัญในสาขาคณิตศาสตร์ (หรือแม้แต่พิสูจน์ว่าข้อคาดการณ์เดิมไม่เป็นจริง) การมองว่า AI อาจนำไปสู่ความก้าวหน้าครั้งสำคัญจึงไม่ใช่เรื่องที่ไกลเกินจริง

มีการนำ AI มาใช้ในลักษณะเดียวกันเพื่อออกแบบวงจรควอนตัมจริงที่สร้างขึ้นด้วยสถาปัตยกรรมรูปแบบต่าง ๆ นี่เป็นปัญหาที่ซับซ้อนมาก กล่าวคือการหาวิธีจัดวางเกตควอนตัมในพื้นที่จริงให้เหมาะสมที่สุด เพื่อลดสัญญาณรบกวนในระดับควอนตัม โดยไม่เว้นพื้นที่ว่างมากเกินไปจนทำให้เกิดความหน่วง ประสิทธิภาพต่ำ และปัญหาอื่น ๆ ที่ต้องแก้ไข

ปัจจัยนี้อาจช่วยเร่งความก้าวหน้าในการแก้ปัญหาพื้นฐานที่จำเป็นได้อย่างมาก

แนวโน้มในอนาคต

ท้ายที่สุดแล้ว ในความเห็นของผม เรื่องนี้ขึ้นอยู่กับคำถามข้อเดียว: สมมติฐานที่ว่าการเพิ่มคิวบิตเชิงกายภาพช่วยลดสัญญาณรบกวนนั้นยังคงเป็นจริงหรือไม่ เมื่อพูดถึงการคำนวณและการจัดการข้อมูลควอนตัมอย่างต่อเนื่อง

หากสมมติฐานดังกล่าวเป็นจริง และไม่มีการทดลองใดหักล้างในอนาคตอันใกล้ ผมคิดว่ามีความเป็นไปได้อย่างมากที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริงภายใน 10 ปีข้างหน้า

มีการทุ่มทรัพยากรจำนวนมหาศาลให้กับปัญหานี้ มีความคืบหน้าอย่างมีนัยสำคัญ (แต่ยังไม่ถึงขั้นล้นหลาม) ในการแก้ปัญหาย่อย ๆ และหากโดยพื้นฐานแล้วมีวิธีทำสิ่งใดสิ่งหนึ่งได้ มนุษย์ก็มักจะหาทางทำจนสำเร็จ

ผมไม่ได้บอกว่าถึงเวลาต้องตื่นตระหนก แต่อย่ามองข้ามความเป็นไปได้นี้