คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร?

คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีศักยภาพที่จะเพิ่มความหลากหลายและความแม่นยำของการคำนวณอย่างมาก โดยเปิดโอกาสให้ใช้คอมพิวเตอร์ในแอปพลิเคชันใหม่ๆ และเพิ่มความแม่นยำของแบบจำลองการเกิดปรากฏการณ์ทางกายภาพ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะได้รับการรายงานอย่างกว้างขวางในสื่อ แต่ก็ยังมีหลายคนไม่แน่ใจว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมแตกต่างจากคอมพิวเตอร์ปกติอย่างไร มาทำความเข้าใจว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานอย่างไร บางส่วนของแอปพลิเคชัน และอนาคตที่กำลังจะมา

คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร?

ก่อนที่เราจะสามารถตรวจสอบได้อย่างมีความหมายว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัม ทำงาน อย่างไร เราต้องกำหนด คอมพิวเตอร์ควอนตัม ก่อน คำจำกัดความที่สั้นของคอมพิวเตอร์ควอนตัมคือ: คอมพิวเตอร์ที่ใช้กลศาสตร์ควอนตัมที่สามารถทำการคำนวณที่ซับซ้อนบางอย่างได้ดีกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม นี่คือคำจำกัดความที่รวดเร็วของคอมพิวเตอร์ควอนตัม แต่เราต้องการใช้เวลาในการทำความเข้าใจว่าสิ่งใดที่ทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมแตกต่างจากคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม

คอมพิวเตอร์ปกติเข้ารหัสข้อมูลด้วยระบบไบนารี่: แทนที่แต่ละบิตของข้อมูลเป็น 1 หรือ 0 ลำดับของ 1 และ 0 จะเชื่อมต่อกันเพื่อแสดงข้อมูลที่ซับซ้อน เช่น ข้อความ รูปภาพ และเสียง อย่างไรก็ตาม ในระบบไบนารี่ ข้อมูลสามารถเก็บไว้ได้เพียง 1 และ 0 เท่านั้น ซึ่งหมายความว่ามีข้อจำกัดที่ชัดเจนในการแสดงและตีความข้อมูล และเมื่อข้อมูลมีความซับซ้อนมากขึ้น จะต้องกลายเป็นลำดับของ 1 และ 0 ที่ยาวขึ้น

สาเหตุที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถเก็บและตีความข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่านั้น คือไม่ใช้บิตในการแสดงข้อมูล แต่ใช้ ” คิวบิต ” คิวบิตเป็นอนุภาคย่อยอะตอม เช่น โฟตอนและอิเล็กตรอน คิวบิตมีคุณสมบัติที่น่าสนใจสองประการซึ่งวิศวกรคอมพิวเตอร์สามารถใช้ประโยชน์ได้: ซูเปอร์พอซิชันและเอนแทงเกิลเมนต์

การรวมกันของควอนตัมทำให้คิวบิตสามารถมีอยู่ไม่เพียงแต่ใน “1” หรือ “0” แต่ยังสามารถมีอยู่ในสถานะต่อเนื่องกันระหว่างสถานะเหล่านั้น ซึ่งหมายความว่าข้อมูลที่มากกว่าสามารถเก็บไว้ในคิวบิต ในขณะที่การผูกพันของควอนตัมหมายถึงปรากฏการณ์ที่คิวบิตคู่สามารถสร้างและถ้าเปลี่ยนคิวบิตหนึ่ง คิวบิตอีกอันจะเปลี่ยนไปในลักษณะที่คาดการณ์ได้ คุณสมบัติของควอนตัมเหล่านี้สามารถใช้ในการแสดงและจัดโครงสร้างข้อมูลที่ซับซ้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานอย่างไร

การรวมกันของควอนตัมได้รับชื่อจากข้อเท็จจริงที่ว่าสามารถมีอยู่ในหลายตำแหน่งในเวลาเดียวกัน ในขณะที่บิตสามารถมีอยู่ในสองตำแหน่งเท่านั้น คิวบิตสามารถมีอยู่ในหลายสถานะในเวลาเดียวกัน

ด้วยการมีอยู่ของการรวมกันของควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถคำนวณผลลัพธ์ที่แตกต่างกันหลายอย่างในเวลาเดียวกัน เมื่อการคำนวณเสร็จสิ้น คิวบิตจะถูกวัด ซึ่งจะสร้างผลลัพธ์สุดท้ายผ่านการล่มสลายของสถานะควอนตัมเป็น 0 หรือ 1 ซึ่งหมายความว่าผลลัพธ์สามารถตีความได้โดยคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม

วิศวกรคอมพิวเตอร์สามารถเปลี่ยนตำแหน่งของคิวบิตได้โดยใช้ไมโครเวฟหรือเลเซอร์ความแม่นยำ

วิศวกรคอมพิวเตอร์สามารถใช้ประโยชน์จากเอนแทงเกิลเมนต์ของควอนตัมเพื่อเพิ่มความสามารถในการประมวลผลของคอมพิวเตอร์อย่างมาก เอนแทงเกิลเมนต์ของควอนตัมหมายถึงข้อเท็จจริงที่ว่าคิวบิตสองตัวสามารถเชื่อมต่อกันในลักษณะที่การเปลี่ยนแปลงคิวบิตหนึ่งจะเปลี่ยนคิวบิตอีกตัวในลักษณะที่คาดการณ์ได้ ไม่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ว่าทำไมคิวบิตจึงสามารถสร้างความสัมพันธ์เช่นนี้หรือปรากฏการณ์นี้ทำงานอย่างไร แต่นักวิทยาศาสตร์เข้าใจมันเพียงพอเพื่อที่จะใช้ประโยชน์จากมันสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม เนื่องจากเอนแทงเกิลเมนต์ของควอนตัม การเพิ่มคิวบิตเพิ่มเติมเข้ากับคอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่เพียงแต่เพิ่มความสามารถในการประมวลผลของคอมพิวเตอร์เท่านั้น แต่ยังสามารถเพิ่มความสามารถในการประมวลผลอย่างเป็นเลขชี้กำลัง

หากสิ่งนี้ดูเหมือนจะอยู่ในระดับสูงเกินไป เราสามารถอธิบายว่าการรวมกันของควอนตัมมีประโยชน์อย่างไรโดยการนึกถึงห้อง迷宫 สำหรับคอมพิวเตอร์ปกติที่จะพยายามแก้ห้อง迷宫 จะต้องลองเส้นทางทุกเส้นทางของห้อง迷宫จนกว่าจะพบเส้นทางที่สำเร็จ อย่างไรก็ตาม คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถสำรวจเส้นทางที่แตกต่างกันทั้งหมดในเวลาเดียวกัน เนื่องจากไม่ได้ถูกจำกัดไว้ในสถานะใดสถานะหนึ่ง

ทั้งหมดนี้หมายความว่าคุณสมบัติของเอนแทงเกิลเมนต์และการรวมกันของควอนตัมทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประโยชน์เพราะสามารถจัดการกับความไม่แน่นอนได้ และสามารถสำรวจสถานะและผลลัพธ์ที่เป็นไปได้มากขึ้น คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรเข้าใจและสร้างแบบจำลองสถานการณ์ที่ซับซ้อนและมีตัวแปรหลายตัวได้ดีขึ้น

คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ทำอะไร?

ทีนี้ที่เรามีความเข้าใจที่ดีขึ้นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานอย่างไร มาทำความเข้าใจกันว่า กรณีการใช้งานที่เป็นไปได้สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม

เรากำลังอ้างถึงข้อเท็จจริงที่ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำการคำนวณแบบดั้งเดิมได้เร็วกว่า อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้เพื่อให้บรรลุผลที่อาจไม่สามารถทำได้หรือไม่เหมาะสมกับคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม

หนึ่งในแอปพลิเคชันที่น่าสนใจและน่าหวังที่สุดของคอมพิวเตอร์ควอนตัมคือในด้านปัญญาประดิษฐ์ คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีพลังในการปรับปรุงแบบจำลองที่สร้างโดยเครือข่ายประสาทเทียม以及ซอฟต์แวร์ที่รองรับ Google กำลังใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อ ช่วยในการสร้างรถยนต์ขับเคลื่อนอัตโนมัติ

คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังมีบทบาทในการวิเคราะห์ ปฏิกิริยาและปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุล คอมพิวเตอร์ปกติที่ทันสมัยที่สุดสามารถสร้างแบบจำลองปฏิกิริยาได้เพียงระหว่างโมเลกุลที่เรียบง่าย ซึ่งทำได้โดยการจำลองคุณสมบัติของโมเลกุลที่เกี่ยวข้อง คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำให้นักวิจัยสามารถสร้างแบบจำลองที่มีคุณสมบัติควอนตัมที่ถูกต้องเหมือนกับโมเลกุลที่กำลังวิจัย การสร้างแบบจำลองโมเลกุลที่เร็วขึ้นและแม่นยำขึ้นจะช่วยในการสร้างยาทางการแพทย์ใหม่ๆ และวัสดุใหม่ๆ สำหรับการผลิตเทคโนโลยีพลังงาน เช่น แผงโซลาร์เซลล์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้ เพื่อทำนายสภาพอากาศได้ดีขึ้น สภาพอากาศคือการรวมกันของเหตุการณ์หลายอย่าง และสูตรที่ใช้ในการทำนายรูปแบบสภาพอากาศมีความซับซ้อนและมีตัวแปรหลายตัว อาจใช้เวลาในการคำนวณที่ยาวนานในการทำนายสภาพอากาศ ในช่วงเวลานั้นสภาพอากาศเองก็สามารถเปลี่ยนแปลงได้幸นั้น สมการที่ใช้ในการทำนายสภาพอากาศมีลักษณะคล้ายคลึงกับคลื่น ซึ่งคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้ประโยชน์ได้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถช่วยให้นักวิจัยสร้างแบบจำลองสภาพอากาศที่แม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งจำเป็นในโลกที่สภาพอากาศกำลังเปลี่ยนแปลง

คอมพิวเตอร์ควอนตัมและอัลกอริทึมสามารถใช้เพื่อช่วยรักษาความเป็นส่วนตัวของข้อมูล การเข้ารหัสลับควอนตัม ใช้หลักการไม่แน่นอนของควอนตัม โดยที่การพยายามวัดวัตถุจะเปลี่ยนแปลงวัตถุนั้น การแทรกแซงการสื่อสารจะเปลี่ยนแปลงผลลัพธ์ของการสื่อสารและแสดงหลักฐานการแทรกแซง

อนาคตของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

การใช้งานส่วนใหญ่ของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะถูกจำกัดไว้สำหรับนักวิชาการและธุรกิจ ไม่น่าจะมีการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมในระดับผู้บริโภคในเร็วๆ นี้ เนื่องจากต้องใช้อุปกรณ์เฉพาะเพื่อใช้งานคอมพิวเตอร์ควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีความไวต่อการรบกวนอย่างมาก เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยใน môi trườngรอบๆ สามารถทำให้คิวบิตเปลี่ยนตำแหน่งและหลุดออกจากสถานะซูเปอร์พอซิชัน ซึ่งเรียกว่า ดีโคเฮอเรนซ์ และเป็นหนึ่งในสาเหตุที่ความก้าวหน้าของคอมพิวเตอร์ควอนตัมดูเหมือนจะช้ากว่าคอมพิวเตอร์ปกติ คอมพิวเตอร์ควอนตัมต้องทำงานในสถานะอุณหภูมิต่ำสุดและแยกออกจากอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ

แม้จะมีการป้องกัน แต่เสียงรบกวนยังคงสร้างข้อผิดพลาดในการคำนวณ และนักวิจัยกำลังมองหาวิธีในการทำให้คิวบิตมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น เพื่อให้บรรลุความเป็นเลิศของคอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถมีพลังมากกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมได้อย่างเต็มที่ คิวบิตต้องเชื่อมต่อกัน คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีพลังจริงๆ อาจต้องการคิวบิตหลายพันคิวบิต แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ดีที่สุดในปัจจุบันสามารถ จัดการคิวบิตได้เพียง 50 คิวบิต นักวิจัยกำลังสร้างความก้าวหน้าในการสร้างคิวบิตที่มีความเสถียรและน่าเชื่อถือมากขึ้น ผู้เชี่ยวชาญในด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมคาดการณ์ว่าอุปกรณ์ควอนตัมที่มีพลังและน่าเชื่อถือ อาจมาถึงภายในทศวรรษหน้า