สองสามสัปดาห์ก่อน ฉันตื่นแต่เช้าอย่างผิดปกติในบรู๊คลิน เว็บสล็อตใหม่ล่าสุด แตกง่ายขึ้นรถของฉัน และมุ่งหน้าไปตามแม่น้ำฮัดสันไปยังชุมชนเล็กๆ ในเวสต์เชสเตอร์เคาน์ตี้ในยอร์กทาวน์ไฮทส์ ที่นั่น ท่ามกลางเนินเขาและบ้านไร่เก่าๆ เป็นที่ตั้งของศูนย์วิจัย Thomas J. Watson ซึ่งเป็นสำนักงานใหญ่ของ IBM Research ในยุคทศวรรษ 1960 ที่ออกแบบโดย Eero Saarinen
ลึกเข้าไปในอาคารนั้น ผ่านทางเดินที่ไม่มีที่สิ้นสุดและประตูรักษาความปลอดภัยที่มีเครื่องสแกนม่านตา เป็นที่ที่นักวิทยาศาสตร์ของบริษัททำงานอย่างหนักเพื่อพัฒนาสิ่งที่ Dario Gil ผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยของ IBM บอกฉันว่าเป็น “สาขาถัดไปของการคำนวณ”: คอมพิวเตอร์ควอนตัม
ฉันอยู่ที่ Watson Center เพื่อดูตัวอย่างแผนงานทางเทคนิคที่อัปเดตของ IBM เพื่อให้ได้การประมวลผลควอนตัมขนาดใหญ่และใช้งานได้จริง สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการพูดคุยอย่างมากเกี่ยวกับ “การนับ qubit” “ความสอดคล้องของควอนตัม” “การบรรเทาข้อผิดพลาด” “การประสานซอฟต์แวร์” และหัวข้ออื่น ๆ ที่คุณต้องเป็นวิศวกรไฟฟ้าที่มีพื้นฐานด้านวิทยาการคอมพิวเตอร์และความคุ้นเคยกับควอนตัม กลศาสตร์ที่จะปฏิบัติตามอย่างเต็มที่
ฉันไม่ใช่สิ่งเหล่านั้น แต่ฉันดูพื้นที่คอมพิวเตอร์ควอนตัม
มานานพอที่จะรู้ว่างานนี้ทำโดยนักวิจัยของ IBM พร้อมกับคู่แข่งใน บริษัท เช่น Google และ Microsoft พร้อมกับการเริ่มต้นนับไม่ถ้วนทั่วโลก เพื่อขับเคลื่อนการก้าวกระโดดครั้งยิ่งใหญ่ในการประมวลผลต่อไป ซึ่งเนื่องจากการประมวลผลนั้นเป็น “เทคโนโลยีแนวนอนที่สัมผัสทุกอย่าง” ตามที่ Gil บอกฉัน จะมีนัยสำคัญสำหรับความคืบหน้าในทุกสิ่งตั้งแต่ความปลอดภัยทางไซเบอร์ไปจนถึงปัญญาประดิษฐ์ไปจนถึงการออกแบบแบตเตอรี่ที่ดีขึ้น
แน่นอนว่าพวกเขาสามารถทำให้สิ่งเหล่านี้ใช้งานได้จริง
เข้าสู่อาณาจักรควอนตัม
วิธีที่ดีที่สุดในการทำความเข้าใจคอมพิวเตอร์ควอนตัม — ไม่ได้ใช้เวลาหลายปีสำหรับผู้สำเร็จการศึกษาจาก MIT หรือ Caltech — คือการเปรียบเทียบกับเครื่องที่ฉันกำลังพิมพ์งานชิ้นนี้: คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก
MacBook Air ของฉันทำงานบนชิป M1 ซึ่งอัดแน่นไปด้วยทรานซิสเตอร์ 16 พันล้านตัว ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวสามารถแทน “1” หรือ “0” ของข้อมูลไบนารีในคราวเดียวได้ จำนวนทรานซิสเตอร์ที่แท้จริงคือสิ่งที่ทำให้เครื่องมีกำลังในการคำนวณ
ทรานซิสเตอร์จำนวน 16 พันล้านตัวที่บรรจุบนชิปขนาด 120.5 ตร.มม. นั้นมีอยู่มากมาย — TRADIC ซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ตัวแรกซึ่งมีน้อยกว่า 800 ตัว อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มีความสามารถในการออกแบบทรานซิสเตอร์บนชิปมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งเป็นการคาดการณ์แนวโน้มโดย Gordon Moore ผู้ร่วมก่อตั้งของ Intel ในกฎหมายที่มีชื่อของเขา คือสิ่งที่ทำให้เกิดการเติบโตแบบทวีคูณของพลังการประมวลผล ซึ่งทำให้ทุกอย่างเป็นไปได้เกือบหมด
ภายนอกของคอมพิวเตอร์ควอนตัม IBM System One ตามที่เห็นที่ศูนย์วิจัย Thomas J. Watson ไบรอัน วอลช์/ว็อกซ์
แต่มีบางสิ่งที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกไม่สามารถทำได้โดยที่พวกเขาไม่สามารถทำได้ ไม่ว่าทรานซิสเตอร์จำนวนเท่าใดจะถูกยัดลงบนซิลิคอนสี่เหลี่ยมในโรงงานแปรรูปเซมิคอนดักเตอร์ของไต้หวัน (หรือ “ยอดเยี่ยม” ในภาษาศาสตร์อุตสาหกรรม) และนั่นคือที่มาของคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์และแปลกประหลาดของคอมพิวเตอร์ควอนตัม
แทนที่จะใช้บิต คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะประมวลผลข้อมูลโดยใช้ qubits ซึ่งสามารถแทนค่า “0” และ “1” ได้พร้อมกัน พวกเขาทำอย่างนั้นได้อย่างไร? คุณกำลังจำกัดระดับความเชี่ยวชาญของฉันที่นี่ แต่โดยพื้นฐานแล้ว qubits ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ทางกลของควอนตัมที่เรียกว่า “การซ้อน” โดยที่คุณสมบัติของอนุภาคย่อยบางตัวจะไม่ถูกกำหนดจนกว่าจะมีการวัด ลองนึกถึงแมวของชโรดิงเงอร์ที่ตายและมีชีวิตอยู่พร้อมๆ กันจนกว่าคุณจะเปิดกล่อง
ผู้หญิงคนหนึ่งนั่งอยู่หน้าคอมพิวเตอร์ในบ้าน ขณะที่สุนัขนั่งอยู่ที่ประตู
ควิบิตเดียวน่ารัก แต่สิ่งต่างๆ จะน่าตื่นเต้นมากเมื่อคุณเริ่มเพิ่มมากขึ้น พลังการประมวลผลแบบคลาสสิกจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงด้วยการเพิ่มทรานซิสเตอร์แต่ละตัว แต่พลังของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณด้วยการเพิ่ม qubit ใหม่ที่เชื่อถือได้แต่ละตัว นั่นเป็นเพราะคุณสมบัติทางกลของควอนตัมอื่นที่เรียกว่า “พัวพัน” โดยที่ความน่าจะเป็นของแต่ละ qubit อาจได้รับผลกระทบจาก qubit อื่น ๆ ในระบบ
ทั้งหมดนี้หมายความว่าขีดจำกัดสูงสุดของพลังของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้นั้นเกินกว่าที่คอมพิวเตอร์คลาสสิกจะสามารถทำได้
ดังนั้นคอมพิวเตอร์ควอนตัมจึงสามารถแก้ปัญหาในทางทฤษฎีได้ ซึ่งคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะมีประสิทธิภาพเพียงใดก็ทำไม่ได้ ปัญหาแบบไหน? แล้วธรรมชาติพื้นฐานของความเป็นจริงทางวัตถุซึ่งท้ายที่สุดแล้วทำงานบนกลศาสตร์ควอนตัม ไม่ใช่กลไกแบบคลาสสิกล่ะ (ขออภัย นิวตัน) “คอมพิวเตอร์ควอนตัมจำลองปัญหาที่เราพบในธรรมชาติและทางเคมี” เจย์ แกมเบตตา รองประธานฝ่ายคอมพิวเตอร์ควอนตัมของไอบีเอ็มกล่าว
คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถจำลองคุณสมบัติของแบตเตอรี่ตามทฤษฎีเพื่อช่วยในการออกแบบแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพและทรงพลังมากกว่ารุ่นปัจจุบันอย่างมาก พวกเขาสามารถแก้ปัญหาด้านลอจิสติกส์ที่ซับซ้อน ค้นหาเส้นทางการจัดส่งที่เหมาะสม หรือปรับปรุงการคาดการณ์สำหรับวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศ
ในด้านความปลอดภัย คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำลายวิธีการเข้ารหัส ซึ่งอาจแสดงทุกอย่างตั้งแต่อีเมล ข้อมูลทางการเงิน ไปจนถึงความลับของชาติที่ไม่ปลอดภัย ซึ่งเป็นสาเหตุที่
การแข่งขันเพื่ออำนาจสูงสุดของควอนตัมก็เป็นการแข่งขันระดับนานาชาติเช่นกัน ซึ่งรัฐบาลจีนทุ่มเงินหลายพันล้านเข้าไป ความกังวลเหล่านั้นช่วยกระตุ้นให้ทำเนียบขาวเมื่อต้นเดือนนี้ให้ออกบันทึกข้อตกลงฉบับใหม่เพื่อเป็นผู้นำระดับชาติในด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมและเตรียมประเทศให้พร้อมสำหรับภัยคุกคามความปลอดภัยทางไซเบอร์ที่ได้รับความช่วยเหลือจากควอนตัม
นอกเหนือจากประเด็นด้านความปลอดภัยแล้ว ความเสี่ยงด้านการเงินอาจมีนัยสำคัญ บริษัทต่างๆ ได้นำเสนอบริการคอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นแรกๆ ผ่านระบบคลาวด์สำหรับลูกค้าอย่าง Exxon Mobil และ BBVA ธนาคารของสเปน แม้ว่าตลาดคอมพิวเตอร์ควอนตัมทั่วโลกจะมีมูลค่าไม่ถึง 500 ล้านดอลลาร์ในปี 2020 International Data Corporation คาดการณ์ว่าจะมีรายรับสูงถึง 8.6 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2570 ด้วยเงินลงทุนมากกว่า 16 พันล้านดอลลาร์
แต่จะไม่มีทางเป็นไปได้เว้นแต่ว่านักวิจัยสามารถทำงานด้านวิศวกรรมอย่างหนักเพื่อเปลี่ยนคอมพิวเตอร์ควอนตัมจากการทดลองทางวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ให้กลายเป็นอุตสาหกรรมที่เชื่อถือได้
ห้องเย็น
ภายในอาคาร Watson นั้น Jerry Chow ผู้กำกับศูนย์คอมพิวเตอร์ควอนตัมทดลองของ IBM ได้เปิดลูกบาศก์แก้วขนาด 9 ฟุตเพื่อแสดงให้ฉันเห็นสิ่งที่ดูเหมือนโคมระย้าที่ทำจากทองคำ: Quantum System One ของ IBM โคมระย้าส่วนใหญ่เป็นตู้เย็นไฮเทคโดยมีขดลวดที่มีซุปเปอร์ฟลูอิดที่สามารถทำความเย็นฮาร์ดแวร์ได้ถึง 100 องศาเซลเซียสเหนือศูนย์สัมบูรณ์ – เย็นกว่า Chow บอกฉันมากกว่าพื้นที่รอบนอก
ระบบทำความเย็นเป็นกุญแจสำคัญในการทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมของ IBM ทำงานได้ และยังแสดงให้เห็นว่าเหตุใดการทำเช่นนั้นจึงเป็นความท้าทายด้านวิศวกรรม แม้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจมีประสิทธิภาพมากกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก แต่ก็มีความพิถีพิถันมากกว่ามาก
จำสิ่งที่ฉันพูดเกี่ยวกับคุณสมบัติควอนตัมของการซ้อนทับและการพัวพันได้หรือไม่? แม้ว่า qubits สามารถทำสิ่งต่าง ๆ ที่ไม่เคยมีมาก่อน แต่การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหรือเสียงหรือการแผ่รังสีเพียงเล็กน้อยอาจทำให้สูญเสียคุณสมบัติเหล่านั้นผ่านสิ่งที่เรียกว่าการถอดรหัส
เครื่องทำความเย็นแฟนซีนั้นได้รับการออกแบบมาเพื่อไม่ให้ qubits ของระบบถอดรหัสก่อนที่คอมพิวเตอร์จะคำนวณเสร็จ คิวบิตที่มีตัวนำยิ่งยวดที่เก่าที่สุดสูญเสียการเชื่อมโยงกันในเวลาน้อยกว่านาโนวินาที ในขณะที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ล้ำหน้าที่สุดของไอบีเอ็มในปัจจุบันสามารถรักษาความเชื่อมโยงกันได้มากถึง 400 ไมโครวินาที (แต่ละวินาทีมี 1 ล้านไมโครวินาที)
ความท้าทายของ IBM และบริษัทอื่น ๆ คือวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีโอกาสเกิดข้อผิดพลาดน้อยกว่าในขณะที่ “ปรับขนาดระบบเกินกว่าพันหรือหมื่น qubits เป็นล้าน” Chow กล่าว
นั่นอาจเป็นปี ปีที่แล้ว IBM ได้เปิดตัว Eagle ซึ่งเป็นโปรเซสเซอร์ 127-qubit และในแผนงานทางเทคนิคใหม่ มีเป้าหมายที่จะเปิดตัวโปรเซสเซอร์ 433-qubit ที่เรียกว่า Osprey ในปลายปีนี้ และคอมพิวเตอร์ qubit มากกว่า 4,000 เครื่องภายในปี 2568 เมื่อถึงเวลานั้น Arvind Krishna ซีอีโอของ IBM บอกกับผู้สื่อข่าวในงานแถลงข่าวเมื่อต้นเดือนนี้ว่า การคำนวณควอนตัมสามารถก้าวไปไกลกว่าระยะการทดลองได้
ผู้เชี่ยวชาญหลายคนสงสัยว่า IBM หรือคู่แข่งรายใดจะไปถึงที่นั่น ทำให้เกิดความเป็นไปได้ที่ปัญหาทางวิศวกรรมที่นำเสนอโดยคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นยากเกินไปสำหรับระบบที่จะเชื่อถือได้อย่างแท้จริง “สิ่งที่เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาคือ มีการกล่าวอ้างมากมายเกี่ยวกับสิ่งที่คุณสามารถทำได้ทันทีด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัม เช่น แก้ปัญหาการเรียนรู้ของเครื่องทั้งหมด” สก็อตต์ แอรอนสัน ผู้เชี่ยวชาญด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มหาวิทยาลัย เท็กซัส บอกฉันปีที่แล้ว “แต่คำกล่าวอ้างเหล่านี้เป็นเรื่องไร้สาระประมาณ 90 เปอร์เซ็นต์” เพื่อให้บรรลุตามคำมั่นสัญญานั้น “คุณจะต้องมีการพัฒนาที่ปฏิวัติวงการ”
ในโลกดิจิทัลที่เพิ่มมากขึ้น ความก้าวหน้าต่อไปจะขึ้นอยู่กับความสามารถของเราที่จะใช้ประโยชน์จากคอมพิวเตอร์ที่เราสร้างขึ้นได้มากขึ้น และนั่นจะขึ้นอยู่กับงานของนักวิจัยเช่น Chow และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ต้องทำงานหนักในห้องแล็บแบบไม่มีหน้าต่างเพื่อบรรลุการพัฒนาใหม่ที่ปฏิวัติวงการเกี่ยวกับปัญหาที่ยากที่สุดในวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ และระหว่างที่พยายามสร้างอนาคตเว็บสล็อตใหม่ล่าสุด และ สล็อตแตกง่าย
