ควอนตัมคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงคืออะไร และทำไมความเร็วจึงแปลว่า “เชื่อถือได้มากขึ้น”
ควอนตัมคอมพิวเตอร์ความเร็ว คือระบบคำนวณเชิงควอนตัมที่มุ่งเพิ่มความเร็วในการดำเนินการบนคิวบิตเพื่อลดโอกาสสะสมข้อผิดพลาดจากสัญญาณรบกวนภายนอก เนื่องจากสถานะควอนตัมมีความเปราะบางมาก การดำเนินการช้าจะเปิดช่องให้สิ่งรบกวนทางไฟฟ้า ความร้อน หรือรังสีทำลายข้อมูลได้ การเพิ่มความเร็วของปฏิบัติการจึงไม่ใช่แค่เรื่องตัวเลขประสิทธิภาพ แต่เป็นยุทธศาสตร์สำคัญในการทำให้เทคโนโลยีควอนตัมใกล้เคียงคอมพิวเตอร์ที่เชื่อถือได้และแก้ปัญหาโลกจริงได้ในอนาคต โดยเชื่อมโยงตรงกับแนวทางการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมและการออกแบบคิวบิตโครงสร้างที่ทนทานต่อสิ่งรบกวน
จุดสำคัญที่ต้องกล้าพูดตรงๆ คือ วงการควอนตัมยังติดหล่มเรื่องข้อผิดพลาดสะสม ยิ่งคำนวณนาน ยิ่งมีเวลาสำหรับสัญญาณรบกวนเข้ามาทำลายสถานะคิวบิต การยกระดับเทคโนโลยีควอนตัมให้ใช้งานจริงจึงต้องเริ่มจากการโจมตีคอขวดนี้ก่อน ไม่ใช่เพิ่มจำนวนคิวบิตแบบฝืนๆ เพราะเครื่องที่มีคิวบิตมากแต่เต็มไปด้วยข้อผิดพลาดก็ไม่ต่างจากเครื่องแรงแต่คำนวณผิดบ่อย การผลักดันเทคโนโลยีควอนตัมไปสู่การใช้งานจริงจึงเริ่มที่คำถามง่ายแต่เจ็บปวดว่า เราทำให้แต่ละขั้นตอนคำนวณเร็วและผิดน้อยแค่ไหน
ทางลัด 1,000 เท่าจากวงจรซูเปอร์นำไฟฟ้า ลดรอบควบคุมจากหลายพันเหลือรอบเดียว
ทีมนักวิจัยจาก Chalmers University of Technology พัฒนาวิธีใหม่ที่ทำให้การดำเนินการเชิงควอนตัมขั้นสูงบนโค้ดบอซอนิกทำได้เร็วขึ้นมากกว่า 1,000 เท่า วิธีดั้งเดิมต้องขับระบบผ่านรอบควบคุมซ้ำหลายพันครั้งเพื่อสร้างสถานะที่ต้องการ ซึ่งกินเวลาและเปิดช่องให้ข้อผิดพลาดสะสมทุกครั้งที่เพิ่มรอบควบคุม การออกแบบใหม่ใช้แนวคิด quantum lattice gates ที่ทำให้ชุดการดำเนินการหลากหลายบนสถานะบอซอนิกเสร็จในรอบขับเดียวแทนหลายพันรอบ นี่ไม่ใช่การปรับจูนเล็กน้อย แต่คือการตัดตอนโครงสร้างการควบคุมทั้งระบบ ให้วงจรซูเปอร์นำไฟฟ้าทำงานแบบทางลัดแทนการประกอบชิ้นส่วนทีละนิด
สิ่งที่น่าสนใจคือการเปลี่ยนวิธีเก็บข้อมูลควอนตัมจากคิวบิตเดี่ยวๆ ไปสู่สนามไมโครเวฟในวงจรซูเปอร์นำไฟฟ้าด้วยโค้ดบอซอนิก ซึ่งมีศักยภาพป้องกันข้อผิดพลาดบางชนิดได้ดีกว่า เมื่อผสานกับ quantum lattice gates นักวิจัยรายงานว่า "การดำเนินการบนสถานะบอซอนิกที่หลากหลายสามารถทำให้เสร็จภายในรอบขับเดียว แทนที่ต้องใช้หลายพันรอบเหมือนเดิม" ผลกระทบเชิงหลักการคือ ความเร็วไม่ใช่แค่ทำให้คำนวณเสร็จไว แต่ลดหน้าต่างเวลาให้สิ่งรบกวนเข้าทำลายสถานะ การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมจึงต้องการทั้งโค้ดที่ดีและปฏิบัติการที่สั้นลงพร้อมกัน
เสียงระดับจิ๋วในเพชร ยืดอายุความทรงจำควอนตัมด้วยคิวบิต “สวมชุดเสียง”
ขณะที่โลกวงจรซูเปอร์นำไฟฟ้าเร่งความเร็ว ทีมนักวิจัยจาก Harvard John A Paulson School of Engineering and Applied Sciences โฟกัสอีกมุมหนึ่งของเทคโนโลยีควอนตัม คือการยืดเวลาที่คิวบิตสามารถคงสถานะได้หรือค่า coherence โดยใช้คลื่นไหวสะเทือนจิ๋วหรือโฟนอน สร้างวิธีใหม่ในการปกป้องข้อมูลควอนตัมด้วยการสั่นเชิงกลในเพชร พวกเขาทดลองกับคิวบิตชนิด silicon vacancy ในโครงสร้างเพชรและใช้สนามสั่นเชิงกลต่อเนื่องเปลี่ยนคิวบิตให้กลายเป็นสถานะ “dressed” คิวบิต ที่เหมือนคิวบิตสวมชุดเสียงป้องกันตัวจากสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำรอบข้าง
ผลลัพธ์เชิงตัวเลขชัดเจนมาก นักวิจัยรายงานว่าด้วยวิธี all mechanical coherence protection นี้ พวกเขาสามารถเพิ่มเวลา coherence ของ silicon vacancy spin ในเพชรได้ราวสามเท่า จากมุมมองเชิงออกแบบคิวบิตโครงสร้าง การใช้โฟนอนทำหน้าที่ทั้งเป็นตัวกลางส่งข้อมูลและเป็นเกราะป้องกันความทรงจำควอนตัม ถือเป็นการพลิกโจทย์เดิมที่ใช้ไมโครเวฟ decouple จากสภาพแวดล้อม ซึ่งทำงานได้ไม่ดีนักในโพรงโฟนอนิก แนวทางใหม่ทำให้การรวมคิวบิตชนิดต่างๆ ในระบบไฮบริดและเทคโนโลยีควอนตัมบนชิปดูก้าวหน้าอย่างมีทิศทาง ไม่ใช่เพียงการทดลองสวยงามในห้องแลบ
ความเร็วลดข้อผิดพลาด เสียงยืดความทรงจำ สองแกนหลักของการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม
ถ้ามองเชื่อมกัน จะเห็นภาพชัดว่าทั้งสองงานวิจัยกำลังโจมตีคอขวดเดียวกันคือข้อผิดพลาดสะสมในควอนตัมคอมพิวเตอร์ ด้านความเร็ว ทีมวงจรซูเปอร์นำไฟฟ้าเน้นลดเวลาปฏิบัติการ เพราะยิ่งคำนวณนาน ยิ่งมีโอกาสให้สัญญาณรบกวนไฟฟ้า รังสีคอสมิก หรือความร้อนเข้ามาแทรกแซง ในทางตรงกันข้าม ด้านเสียงระดับจิ๋วในเพชรเน้นยืดช่วงเวลาที่คิวบิตทนต่อสิ่งรบกวนได้ การเพิ่ม coherence time สามเท่าหมายถึงคิวบิตมีเวลามากขึ้นสำหรับการประมวลผลก่อนสถานะจะพัง สองแนวทางนี้ร่วมกันสร้างระบบที่ทั้งเร็วและทน นี่แหละหัวใจของการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมที่มีประสิทธิภาพ
ในเชิงยุทธศาสตร์การพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัม การเพียงเพิ่มจำนวนคิวบิตโดยไม่ลดข้อผิดพลาดคือการสร้างหอคอยบนฐานทราย การออกแบบคิวบิตโครงสร้างที่ใช้โค้ดบอซอนิกและโฟนอนจึงตอบโจทย์ตั้งแต่ระดับหน่วยข้อมูลไปถึงระดับเครือข่าย ถ้าแต่ละปฏิบัติการทำได้เร็วขึ้น 1,000 เท่า และแต่ละคิวบิตเก็บสถานะได้นานขึ้นสามเท่า เรากำลังใกล้จุดที่การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมแบบเชิงซอฟต์แวร์และเชิงโค้ดสามารถทำงานได้ทันก่อนข้อผิดพลาดล้นระบบ นั่นคือก้าวสำคัญสู่ควอนตัมคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงที่ตอบสนองงานโลกจริงได้
จากห้องแลบสู่เครื่องคำนวณควอนตัมใช้งานจริง ก้าวต่อไปควรโฟกัสที่อะไร
คำถามที่สำคัญสำหรับผู้อ่านคือ งานเหล่านี้อยู่ตรงไหนบนเส้นทางสู่ควอนตัมคอมพิวเตอร์ใช้งานจริง งาน quantum lattice gates เป็นทฤษฎีที่ถูกตีพิมพ์แล้ว และทีมนักวิจัยระบุว่ากำลังหารือกับเพื่อนร่วมงานเพื่อทดสอบในระบบจริง ขณะที่สถาบันเดียวกันก็กำลังพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมคิวบิตซูเปอร์นำไฟฟ้าราว 100 คิวบิตอยู่แล้ว ด้านเทคโนโลยีโฟนอนและคิวบิตในเพชร สำนักงานพัฒนาเทคโนโลยีของมหาวิทยาลัยกำลังเดินหน้าเรื่องสิทธิบัตรและโอกาสเชิงพาณิชย์ แสดงให้เห็นว่าระดับความพร้อมไม่ใช่แค่ในเชิงวิชาการ แต่เริ่มขยับเข้าสู่โลกอุตสาหกรรม
จากมุมมองเชิงความคิดเห็น ก้าวต่อไปที่วงการควอนตัมควรโฟกัสไม่ใช่ตัวเลขคิวบิตสูงสุด แต่คือการบูรณาการความก้าวหน้าด้านความเร็ว การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม และการออกแบบคิวบิตโครงสร้างที่หลากหลายให้ทำงานร่วมกันจริงบนแพลตฟอร์มเดียว การวิ่งไล่ตัวเลขโดยละเลยความเชื่อถือได้คือทางตัน ในทางตรงกันข้าม การลงทุนในเทคโนโลยีควอนตัมที่ลดข้อผิดพลาดและเพิ่ม coherence อย่างมีหลักการ จะทำให้โลกได้เห็นควอนตัมคอมพิวเตอร์ความเร็ว ที่ไม่เพียงคำนวณไว แต่ให้คำตอบที่เชื่อถือได้พอจะนำไปใช้แก้ปัญหาใหญ่ของมนุษยชาติ
