ทำไมคิวบิตฮีเลียมเหลวควอนตัมจึงสำคัญกว่าการเพิ่มจำนวนคิวบิต
คิวบิตฮีเลียมเหลวควอนตัมคือแนวคิดคิวบิตควอนตัมรูปแบบใหม่ที่ใช้ฮีเลียมเหลวเชิงควอนตัมในสถานะซูเปอร์ฟลูอิดเพื่อเก็บสถานะควอนตัม โดยอาศัยการที่ฮีเลียมไม่มีประจุไฟฟ้าและไหลได้โดยแทบไม่มีแรงเสียดทาน ทำให้มีแนวโน้มต้านทานสัญญาณรบกวนเชิงแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดีกว่าคิวบิตกระแสหลักในปัจจุบัน แนวทางนี้ถูกออกแบบมาเพื่อลดอัตราควอนตัมคอมพิวเตอร์ข้อผิดพลาดให้ต่ำลงอย่างมาก เพื่อให้ระบบขนาดใหญ่ระดับแสนถึงล้านคิวบิตยังคงใช้งานได้จริง
ประเด็นที่คนตามข่าวควอนตัมมักมองพลาดคือ นับคิวบิตอย่างเดียวไม่ได้บอกว่าระบบมีประโยชน์แค่ไหน การแข่งขันกำลังขยับจากการโอ้อวดจำนวนคิวบิต ไปสู่คำถามยากกว่าคือ เราจะควบคุม ปรับเทียบ อ่านค่า และทำการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมให้สเกลตามไปได้อย่างไรโดยที่ความซับซ้อนและทรัพยากรไม่พุ่งจนควบคุมไม่อยู่ หากเรายังยอมให้ข้อผิดพลาดสูง ต่อให้ไปถึงหลักล้านคิวบิต ระบบก็อาจกลายเป็นทางตัน ใช้งานจริงไม่ได้ แนวคิดคิวบิตฮีเลียมเหลวควอนตัมจึงน่าสนใจ เพราะมันพุ่งเป้าไปที่ปัญหาข้อผิดพลาดตั้งแต่ระดับฮาร์ดแวร์ ไม่ใช่แค่เอาการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมมาคอยซ่อมปลายทาง
ฮีเลียมเหลวควอนตัมคืออะไร และคิวบิต SHOQ ทำงานอย่างไร
นักวิจัยเสนออุปกรณ์ที่เรียกว่า Superfluid Helium Oscillator Quantum หรือ SHOQ ซึ่งใช้ฮีเลียมในสถานะซูเปอร์ฟลูอิดเป็นหัวใจของคิวบิต ฮีเลียมเหลวควอนตัมชนิดนี้โดยเฉพาะฮีเลียม‑3 เป็นของเหลวประหลาดที่ไหลได้แทบไม่มีแรงเสียดทานและแสดงพฤติกรรมควอนตัมอย่างชัดเจน ที่สำคัญคือมันเป็นฮีเลียมไม่มีประจุไฟฟ้า เมื่อถูกกักอยู่ในโครงสร้างไมโครฟลูอิดิกแล้วให้เกิดการสั่นเชิงควอนตัมแบบควอนไทซ์ การสั่นเหล่านี้เองคือสถานะของคิวบิตควอนตัมใน SHOQ
เพราะฮีเลียมไม่มีประจุ อุปกรณ์ SHOQ จึงถูกออกแบบให้ได้รับการปกป้องตามธรรมชาติจากสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทที่เล่นงานคิวบิตกระแสหลัก การออกแบบนี้เป็นครั้งแรกที่มีการรายงานคิวบิตบนซูเปอร์ฟลูอิด โดยคำนวณแล้วพบว่า SHOQ อาจมีอัตราควอนตัมคอมพิวเตอร์ข้อผิดพลาดต่ำกว่าคิวบิตตัวนำยิ่งยวดแบบเดิมราว 100 เท่า นั่นหมายความว่าแทนที่จะใช้ทรัพยากรมหาศาลกับการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม เราเริ่มจากฮาร์ดแวร์ที่สะอาดกว่า มีสัญญาณรบกวนน้อยกว่า และปล่อยให้ชั้นซอฟต์แวร์โฟกัสกับการใช้งานมากกว่าการดับไฟ
ต่างจากคิวบิตตัวนำยิ่งยวดอย่างไร และทำไมเรื่องสัญญาณรบกวนถึงเป็นคอขวด
ปัจจุบัน คิวบิตควอนตัมส่วนใหญ่สร้างจากวงจรตัวนำยิ่งยวดที่ไวมากต่อสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าและประจุหลงทาง คล้ายไฟฟ้าสถิตที่ทำให้ผมลอยติดลูกโป่ง สัญญาณรบกวนเล็กน้อยก็ทำให้สถานะควอนตัมเสียรูป เมื่อจำนวนคิวบิตเพิ่มขึ้น ความยุ่งยากในการควบคุมข้อผิดพลาดก็โตแบบทวีคูณ ส่งผลให้การสเกลระบบเป็นหนึ่งในโจทย์ยากที่สุดของวงการควอนตัมคอมพิวติ้ง
แน่นอนว่าเรามีเทคนิคการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมเพื่อกดสัญญาณรบกวน แต่ต้องแลกด้วยคิวบิตทางกายภาพและปริมาณการคำนวณจำนวนมากเกินไป นั่นหมายถึงฮาร์ดแวร์ส่วนใหญ่เอาไปใช้ซ่อมข้อผิดพลาดแทนที่จะคำนวณงานที่มีประโยชน์ การทำให้ฮาร์ดแวร์ทนต่อสภาพแวดล้อมตั้งแต่ต้นจึงเป็นทางเลือกที่ฉลาดกว่า ในมุมนี้ SHOQ ใช้ข้อดีของฮีเลียมไม่มีประจุเพื่อกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าบางประเภทตั้งแต่ระดับฟิสิกส์ หากตัวเลขการลดข้อผิดพลาดร้อยเท่าถูกพิสูจน์จริง นี่คือการโจมตีปัญหาหลักของวงการจากรากฐาน
จากหน่วยความจำควอนตัมสู่ระบบไฮบริด: ภาพใช้งานที่เป็นไปได้
จุดน่าสนใจของ SHOQ ไม่ใช่การมาทดแทนฮาร์ดแวร์ควอนตัมทั้งหมด แต่คือการอยู่ร่วมกันอย่างฉลาด นักวิจัยเสนอว่าคิวบิตบนฮีเลียมเหลวควอนตัมอาจทำหน้าที่เป็นหน่วยความจำควอนตัมที่เก็บข้อมูล ในขณะที่ฮาร์ดแวร์ประเภทอื่นเช่นคิวบิตตัวนำยิ่งยวดทำหน้าที่ประมวลผล กล่าวคือ ระบบเดียวอาจใช้คิวบิตหลายแบบให้ทำงานที่ถนัดต่างกันในสถาปัตยกรรมไฮบริด ซึ่งตรงกับมุมมองในวงการที่ว่าเราไม่จำเป็นต้องมีคิวบิตชนิดเดียวทำทุกอย่าง
ภาพนี้สอดคล้องกับแนวโน้มที่การแข่งขันควอนตัมกำลังหันมาโฟกัสการออกแบบระบบรอบคิวบิตทั้งหมด ตั้งแต่การควบคุม การวัด ไปจนถึงการแก้ไขข้อผิดพลาด ให้ยังขยายขนาดได้โดยไม่เพิ่มความซับซ้อนจนจัดการไม่ไหว ถ้า SHOQ สามารถรักษาข้อผิดพลาดต่ำได้แม้เมื่อเชื่อมต่อกับเทคโนโลยีอื่น เราอาจเห็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้คิวบิตตัวนำยิ่งยวดคำนวณเร็ว ขณะที่ฮีเลียมเหลวควอนตัมช่วยเก็บสถานะสำคัญไว้นานขึ้น เป็นการแบ่งงานกันทำที่ตอบโจทย์การใช้งานจริง
ข้อสรุป: ทางออกเรื่องข้อผิดพลาดเริ่มจากฮาร์ดแวร์ ไม่ใช่แค่ซอฟต์แวร์
หากเราต้องการให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์แก้โจทย์โลกจริง ปัญหาหลักไม่ใช่แค่การไล่ไปให้ถึงล้านคิวบิต แต่คือการทำให้ทั้งระบบรอบคิวบิตตั้งแต่การควบคุม การอ่านค่า ไปจนถึงการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม ขยายตัวได้โดยไม่ระเบิดความซับซ้อนและทรัพยากรตามไปด้วย แนวคิด SHOQ ที่ใช้ฮีเลียมเหลวควอนตัมในสถานะซูเปอร์ฟลูอิดจึงโดดเด่น เพราะมันจัดการหนึ่งในอุปสรรคใหญ่ที่สุดตั้งแต่ต้นทาง คือการลดอัตราข้อผิดพลาดเมื่อระบบโตขึ้น
จากมุมมองเชิงกลยุทธ์ การเดิมพันกับฮาร์ดแวร์ที่สะอาดกว่าและไวต่อสัญญาณรบกวนน้อยกว่า อาจคุ้มค่ากว่าการทุ่มทุกอย่างไปที่เลเยอร์การแก้ไขข้อผิดพลาดเพียงอย่างเดียว SHOQ แสดงให้เห็นว่าการออกแบบคิวบิตควอนตัมแบบใหม่ เช่นคิวบิตฮีเลียมเหลวควอนตัม สามารถลดควอนตัมคอมพิวเตอร์ข้อผิดพลาดได้ราวร้อยเท่าในเชิงทฤษฎี และเปิดทางให้สถาปัตยกรรมไฮบริดที่ใช้คิวบิตหลายชนิดร่วมกัน หากต้นแบบพิสูจน์ตัวเองได้ สงครามควอนตัมยุคถัดไปอาจไม่ได้วัดกันที่ “ใครมีคิวบิตมากกว่า” แต่ที่ “ใครมีคิวบิตที่ผิดพลาดน้อยกว่ามากพอจะใช้งานจริง” ต่างหาก
