คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร
ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างคอมพิวเตอร์ควอนตัมกับทรานซิสเตอร์แบบดั้งเดิม
ในคอมพิวเตอร์คลาสสิกหนึ่งบิตสามารถจัดเก็บได้เพียงตัวเลข: ศูนย์หรือหนึ่ง อย่างไรก็ตามฟิสิกส์ควอนตัมอนุญาตให้มีการซ้อนทับของสถานะ บิตควอนตัมสามารถเป็นศูนย์และหนึ่งสถานะในเวลาเดียวกันได้และนี่เป็นการเปิดโอกาสที่เหลือเชื่อสำหรับการประมวลผลที่รวดเร็วเป็นพิเศษ
สำหรับสิ่งนี้เขาต้องการผู้มีพลังพิเศษหลายพันคนโปรเซสเซอร์ เป็นผลให้การคำนวณซึ่งจะใช้คอมพิวเตอร์เกมที่มีประสิทธิภาพหนึ่งสัปดาห์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์จะทำงานในหนึ่งวัน อย่างไรก็ตามสิ่งสำคัญคือโปรแกรมทำงานได้อย่างถูกต้องโดยคำนึงถึงคุณสมบัติทางเทคนิคของเครื่อง มิฉะนั้นสิ่งที่ทำงานได้อย่างถูกต้องบนโปรเซสเซอร์ 100 ตัวจะช้าลงมากถึง 200
คอมพิวเตอร์ควอนตัมจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลใช้ควอนตัมบิต - ควิต หลังไม่เพียงเปิดและปิด แต่ยังอยู่ในสถานะชั่วคราวหรือแม้กระทั่งเปิดและปิดในเวลาเดียวกัน การเปรียบเทียบอย่างต่อเนื่องกับหลอดไฟ: qubit ก็เหมือนไฟที่คุณปิด แต่ก็ยังคงกะพริบอยู่ หรือแมวของSchrödingerซึ่งทั้งมีชีวิตและตาย
เนื่องจากไฟในคอมพิวเตอร์ควอนตัมเปิดและปิดพร้อมกัน จึงช่วยประหยัดเวลาได้มาก ดังนั้นจึงแก้ปัญหาที่ซับซ้อนได้เร็วกว่าอุปกรณ์คลาสสิกที่ทรงพลังมาก
ในปี 2544 ไอแซค จวง หัวหน้ากลุ่มวิจัยในห้องปฏิบัติการของ IBM ซึ่งเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ของ MIT และผู้บุกเบิกด้านการคำนวณควอนตัม ได้สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยใช้โมเลกุลเดี่ยว ผลลัพธ์ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature แสดงให้เห็นถึงการทดลองครั้งแรกของอัลกอริทึมของ Shor ซึ่งเป็นอัลกอริธึมการแยกตัวประกอบควอนตัม (การแยกตัวเลขออกเป็นปัจจัยเฉพาะ) ที่ช่วยให้เราสามารถแยกตัวประกอบตัวเลขตามเวลาได้
เมื่อคุณมีอะตอมมากเกินไปดูเหมือนป่าใหญ่ มันยากมากที่จะควบคุมอะตอมหนึ่งด้วยอะตอมก่อนหน้า ความท้าทายคือการนำ [อัลกอริธึม] ไปใช้ในระบบที่แยกได้เพียงพอ ขณะเดียวกัน ระบบจะต้องคงกลไกควอนตัมไว้นานพอที่จะให้คุณนำอัลกอริธึมทั้งหมดไปใช้จริงได้
ชื่อนามสกุล
คอมพิวเตอร์ควอนตัมดูไม่เหมือนคอมพิวเตอร์ทั่วไป เหล่านี้คือกระบอกสูบโลหะขนาดใหญ่ที่มีสายบิดที่ลดระดับลงในหน่วยทำความเย็น
สามารถใช้สำหรับงานต่าง ๆรวมถึงการคำนวณทางเคมีและฟิสิกส์หรือการสร้างวัสดุใหม่ การประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมอีกด้านคือปัญหาด้านการเข้ารหัสและความปลอดภัย ปัญหาเหล่านี้รุนแรงที่สุดกับองค์กรทางการเงินและธนาคาร ซึ่งไม่น่าแปลกใจ: เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีเรื่องอื้อฉาวเกี่ยวกับการรั่วไหลและการแฮ็ก
ความสามารถของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะช่วยให้เข้าถึงข้อมูลใด ๆ ดังนั้นจึงถึงเวลาที่จะต้องพิจารณาปกป้องข้อมูลด้วยความช่วยเหลือของเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องหรือใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อสร้างการเข้ารหัสที่ดีขึ้น
"ความเหนือกว่าควอนตัม" หมายถึงอะไร?
อำนาจสูงสุดของควอนตัมคือความสามารถในการแก้ปัญหาที่อยู่นอกเหนือความสามารถของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทันสมัยที่สุด
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีความก้าวหน้าที่สำคัญประสบความสำเร็จในการพัฒนาแพลตฟอร์มตัวนำยิ่งยวด สาระสำคัญของความเหนือกว่าควอนตัมอยู่ที่ความจริงที่ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถแก้ปัญหาได้อย่างรวดเร็วซึ่งซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกต้องใช้เวลามหาศาล
ความก้าวหน้าครั้งแรกเกิดขึ้นเมื่อปลายเดือนตุลาคม 2019เมื่อ Google ประกาศว่าพวกเขาได้พัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม Google Sycamore: ตามข้อมูลของพวกเขาระบบจัดการกับงานใน 200 วินาทีซึ่งจะต้องใช้เวลาประมาณ 10,000 ปีในการทำงานของซูเปอร์คอมพิวเตอร์คลาสสิก นี่คือสิ่งที่พวกเขาเรียกคำว่า "ความเหนือกว่าควอนตัม"
อย่างไรก็ตามงานของ บริษัท ก็พบกับส่วนแบ่งความสงสัยและคู่แข่งจาก IBM คำนวณว่าในความเป็นจริงปัญหาที่ใช้สามารถแก้ไขได้ในสองสามวัน - เพียงพอสำหรับการได้เปรียบ แต่ไม่ใช่เพื่อความเหนือกว่าเต็มเปี่ยม
ก้าวต่อไปในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมลดลงเมื่อต้นเดือนธันวาคม 2020 เมื่อวันที่ 4 ธันวาคมเป็นที่ทราบกันดีว่านักวิทยาศาสตร์ชาวจีนได้สร้างต้นแบบของคอมพิวเตอร์ควอนตัม "จิ่วจาง" ซึ่งจัดการกับอัลกอริธึมการตรวจสอบมาตรฐานที่เร็วกว่า Sycamore ถึง 10 พันล้านเท่าซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมต้นแบบ 53 qubit จาก Google บริษัท กล่าวว่าการพัฒนายังบรรลุความเป็นเลิศด้านควอนตัม
นักวิทยาศาสตร์ได้ทดสอบความสามารถในการคำนวณ"จิ่วจาง" โดยใช้อัลกอริทึมพิเศษ GBS. ระบบนี้รับมือได้เร็วกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดที่มีอยู่ถึง 100 ล้านล้านเท่า นอกจากนี้นักพัฒนายังกล่าวว่าพลังการประมวลผลของอุปกรณ์ของพวกเขานั้นสูงกว่า Sycamore 10 พันล้านเท่า
ในปี 2544 จวงผู้บุกเบิกควอนตัมการคำนวณสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมขึ้นอยู่กับโมเลกุลเดี่ยวที่สามารถจับตัวได้ในการซ้อนทับและจัดการโดยเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์เพื่อคูณ 15 ผลลัพธ์ที่ตีพิมพ์ใน Nature แสดงถึงการทดลองใช้อัลกอริทึมของ Shor ครั้งแรก แต่ระบบไม่สามารถปรับขนาดได้ เมื่อเพิ่มอะตอมมากขึ้นการควบคุมระบบก็ยากขึ้น
คอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นใหม่จะใช้งานอย่างไร?
การประยุกต์ใช้ควอนตัมที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งคอมพิวเตอร์ตอนนี้ - การสลายตัวเป็นจำนวนเฉพาะ ความจริงก็คือการเข้ารหัสสมัยใหม่ทั้งหมดมีพื้นฐานมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าไม่มีใครสามารถย่อยสลายตัวเลข 30-40 หลัก (หรือมากกว่า) ให้กลายเป็นปัจจัยสำคัญได้อย่างรวดเร็ว ในคอมพิวเตอร์ทั่วไปจะใช้เวลาหลายพันล้านปี คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำได้ในเวลาประมาณ 18 วินาที
ถ้าเราสมมติว่ามีควอนตัมอยู่หลังจากนั้นไม่นานคอมพิวเตอร์จะกลายเป็นบรรทัดฐานทางสังคมซึ่งในกรณีนี้จะไม่มีความลับใด ๆ ในโลกไซเบอร์เนื่องจากอัลกอริทึมการเข้ารหัสใด ๆ สามารถแฮ็กได้ทันทีและเข้าถึงทุกสิ่งได้ สิ่งนี้ใช้ได้กับทุกสิ่งตั้งแต่การโอนเงินผ่านธนาคารไปจนถึงข้อความใน Messenger
คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังเหมาะสำหรับการสร้างแบบจำลองสถานการณ์ที่ซับซ้อนเช่นการคำนวณคุณสมบัติทางกายภาพขององค์ประกอบใหม่ในระดับโมเลกุล บางทีวิธีนี้จะช่วยให้สามารถค้นหายาใหม่ ๆ ได้เร็วขึ้นหรือแก้งานที่ต้องใช้ทรัพยากรที่ซับซ้อน
เขาทำอะไรได้อีก?
- ฐานข้อมูลและค้นหาโดยพวกเขา
การทำงานกับ Big Data จะรวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อShazam, การกำหนดเส้นทาง, โครงข่ายประสาทเทียม, ปัญญาประดิษฐ์ - ทั้งหมดนี้จะได้รับการส่งเสริมอย่างเหลือเชื่อ นอกจากนี้ยังสามารถสร้างแบบจำลองปฏิสัมพันธ์ของสารประกอบโปรตีนเชิงซ้อนได้อีกด้วย นี่จะเป็นก้าวที่สำคัญมากสำหรับการแพทย์ การเปิดโอกาสในการสร้างยาในอนาคต การทำความเข้าใจว่าไวรัสชนิดต่างๆ ส่งผลต่อเราอย่างไร และอื่นๆ
- การประยุกต์ใช้ในการเข้ารหัส
เนื่องจากความเร็วมหาศาลในการย่อยสลายกลายเป็นเรื่องง่ายตัวคูณควอนตัมคอมพิวเตอร์จะอนุญาตให้ถอดรหัสข้อความที่เข้ารหัสโดยอัลกอริธึมการเข้ารหัส RSA ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย จนถึงขณะนี้อัลกอริทึมนี้ถือว่าค่อนข้างน่าเชื่อถือเนื่องจากปัจจุบันยังไม่ทราบวิธีที่มีประสิทธิภาพในการแยกตัวเลขเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก ด้วยอัลกอริธึมควอนตัมของ Shor งานนี้จะค่อนข้างเป็นไปได้หากสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม
- การวิจัยด้านปัญญาประดิษฐ์
ตามทฤษฎีแล้วคอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นแบบที่ดีสำหรับความต้องการในการเรียนรู้ของเครื่อง พวกเขาจัดการกับข้อมูลจำนวนมากในการส่งครั้งเดียวและสามารถจำลองเครือข่ายประสาทเทียมที่มีขนาดอธิบาย ในปี 2013 Google ได้ประกาศเปิดห้องปฏิบัติการวิจัยควอนตัมในปัญญาประดิษฐ์ Volkswagen กำลังทำการวิจัยเกี่ยวกับการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อพัฒนารถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเองและแบตเตอรี่จัดเก็บข้อมูลประเภทใหม่ ๆ (โดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมจาก Google และ D-Wave) ในเดือนพฤศจิกายน 2018 ความกังวลดังกล่าวได้ประกาศการพัฒนาระบบการจัดการจราจร (ด้วยการรวมยานยนต์ไร้คนขับเข้าด้วยกัน) ซึ่งทำงานโดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม D-Wave
- การสร้างแบบจำลองโมเลกุล
สันนิษฐานว่าใช้ควอนตัมคอมพิวเตอร์จะสามารถจำลองปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลและปฏิกิริยาเคมีได้อย่างแม่นยำ ปฏิกิริยาเคมีเป็นควอนตัมในธรรมชาติ สำหรับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกสามารถคำนวณได้เฉพาะโมเลกุลที่ค่อนข้างเรียบง่ายเท่านั้น ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่าการจำลองบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมเปิดโอกาสใหม่สำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเคมีโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสร้างยา
แล้วรัสเซียล่ะ?
รัสเซียมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการแข่งขันควอนตัมเกี่ยวกับสิ่งนี้เขียนโดย Nature เมื่อประมาณหนึ่งปีที่แล้ว มีการนำ "แผนงานสำหรับการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม" มาใช้ด้วย ในแง่ของสถานะปัจจุบันรัสเซียได้สร้างองค์ประกอบหลักสำหรับแพลตฟอร์มคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สำคัญทั้งหมด
ขั้นตอนต่อไปคือการปรับขนาดและสาธิตการแก้ปัญหาโดยใช้ ควรสังเกตว่าโปรแกรมไม่เพียง แต่มุ่งเน้นไปที่ฮาร์ดแวร์และโปรเซสเซอร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงซอฟต์แวร์ด้วย ความก้าวหน้าครั้งต่อไปในคอมพิวเตอร์ควอนตัมต้องการแนวคิดดั้งเดิมอย่างแน่นอนซึ่งเป็นจุดแข็งของนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย
เมื่อปลายเดือนพฤศจิกายน 2563 ก็ได้ทราบเรื่องการก่อตั้งสมาคมห้องปฏิบัติการควอนตัมแห่งชาติ (NKL) กลุ่มความร่วมมือซึ่งรวมถึงโครงสร้าง Rosatom, มูลนิธิ Skolkovo และมหาวิทยาลัยต่างๆ จะส่งออกเทคโนโลยีควอนตัมและพัฒนาโครงสร้างพื้นฐาน แต่งานหลักคือการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม
เป็นส่วนหนึ่งของ "แผนงาน" "คอมพิวเตอร์ควอนตัม"มีการวางแผนที่จะสร้างศูนย์การผลิตนาโนที่มีพื้นที่ 2 พันตารางเมตรในอาณาเขตของ Skolkovo เมตรรวมถึงห้องปฏิบัติการขั้นสูงที่มีพื้นที่กว่า 3.5 พันตารางเมตร ม.
ในบรรดาตัวบ่งชี้หลักที่ระบุไว้ใน "ถนนmap” ซึ่งมีแผนจะบรรลุผลรวมถึงการสร้าง NCL - ภายในสิ้นปี 2567 สมาชิกกลุ่มจะต้องสร้างระบบคอมพิวเตอร์บนแพลตฟอร์มควอนตัมต่างๆที่มีความจุ 30 ถึง 100 qubits และจดสิทธิบัตรระหว่างประเทศ 40 รายการต่อปี
อ่านเพิ่มเติม:
ธารน้ำแข็ง Doomsday กลายเป็นอันตรายมากกว่าที่นักวิทยาศาสตร์คิด เราบอกสิ่งสำคัญ
ดูภูเขาน้ำแข็งที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยถ่ายมาจากอากาศ
จีนทดสอบ "ดวงอาทิตย์เทียม" ครั้งแรก