เทคโนโลยีควอนตัมคอมพิวเตอร์

เทคโนโลยีควอนตัมคอมพิวเตอร์

ปิยะนันต์  อิสสระวิทย์

 

สาขาวิชาวิทยาการคอมพิวเตอร์ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏบ้านสมเด็จเจ้าพระยา

1061 ถนนอิสรภาพ แขวงหิรัญรูจี เขตธนบุรี กรุงเทพมหานคร 10600

 

บทนำ

ควอนตัมคอมพิวเตอร์เป็นเทคโนโลยีที่ก้าวข้ามขีดจำกัดของการคำนวณแบบดั้งเดิม ซึ่งใช้หลักการทางกลศาสตร์ควอนตัมที่มีความซับซ้อนและแตกต่างจากกฎฟิสิกส์แบบดั้งเดิม ควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถประมวลผลข้อมูลได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป เนื่องจากสามารถจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลในรูปของคิวบิตซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษอย่างซ้อนทับและพัวพัน ทำให้สามารถทำการคำนวณหลายอย่างพร้อมกันได้ในเวลาเดียวกัน เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพที่จะเปลี่ยนแปลงวิธีการคำนวณและการแก้ปัญหาที่ซับซ้อนในหลากหลายสาขา เช่น การเข้ารหัสลับ การจำลองโมเลกุล และการวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นความหวังที่จะพัฒนาความก้าวหน้าในอนาคตอย่างมีนัยสำคัญ

 

ความหมายของควอนตัมคอมพิวเตอร์

ควอนตัมคอมพิวเตอร์หมายถึงคอมพิวเตอร์ที่ทำงานบนหลักการของฟิสิกส์ควอนตัมซึ่งแตกต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไปที่ใช้งาน หลักการของฟิสิกส์คลาสสิกในควอนตัมคอมพิวเตอร์ ข้อมูลจะถูกเก็บไว้ในหน่วยพื้นฐานที่เรียกว่า”คิวบิต” )ซึ่งสามารถอยู่ในหลายสถานะได้พร้อมกันเนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการทับซ้อนคิวบิตเหล่านี้ยังสามารถเชื่อมโยงกันผ่านปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการพันกันควอนตัมทำให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถคำนวณข้อมูลได้อย่างรวดเร็วในบางประเภทของปัญหาควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถแก้ไขปัญหาที่ซับซ้อนมากซึ่งคอมพิวเตอร์ทั่วไปอาจใช้เวลานานมากหรือไม่สามารถแก้ไขได้

 

องค์ประกอบของควอนตัมคอมพิวเตอร์

ควอนตัมคอมพิวเตอร์มีองค์ประกอบหลักหลายอย่างที่แตกต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไปซึ่งถูกออกแบบมาเพื่อจัดการกับข้อมูลควอนตัมโดยเฉพาะ องค์ประกอบหลักของควอนตัมคอมพิวเตอร์มีดังนี้

1.คิวบิต หน่วยพื้นฐานของข้อมูลในควอนตัมคอมพิวเตอร์คิวบิตต่างจากบิตในคอมพิวเตอร์ทั่วไปที่สามารถมีค่าเป็นได้ทั้ง0หรือ1เพราะคิวบิตสามารถอยู่ในสถานะของ0,1หรือสถานะทับซ้อนของทั้งสองพร้อมกันนอกจากนี้คิวบิตยังสามารถเชื่อมโยงกันผ่านการพันกันควอนตัม ทำให้สามารถคำนวณข้อมูลได้หลายทางพร้อมกัน

2.การซ้อนทับสถานะ คุณสมบัติที่สำคัญของคิวบิตซึ่งทำให้สามารถอยู่ในสถานะของทั้ง 0 และ 1 พร้อมกันได้ ช่วยเพิ่มศักยภาพในการประมวลผลของควอนตัมคอมพิวเตอร์

3.การพันกันควอนตัมปรากฏการณ์ที่คิวบิตสองตัวหรือมากกว่านั้นสามารถเชื่อมโยงกันแม้ว่าจะอยู่ห่างกันในระยะทางทางกายภาพเมื่อหนึ่งในคิวบิตเปลี่ยนสถานะอีกตัวจะเปลี่ยนไปตามกันอย่างสัมพันธ์กันทันที

4.เกตควอนตัม วงจรที่ทำการควบคุมสถานะของคิวบิตเช่นเดียวกับเกตตรรกะในคอมพิวเตอร์ทั่วไปแต่ทำงานตามหลักการควอนตัมโดยเกตควอนตัมทำหน้าที่แปลงสถานะของคิวบิตและสามารถควบคุมการพันกันของคิวบิตได้

5.การวัดผลควอนตัม การวัดผลในควอนตัมคอมพิวเตอร์หมายถึงการตรวจสอบสถานะของคิวบิต ซึ่งเมื่อมีการวัด คิวบิตจะ”ยุบ”ไปยังสถานะใดสถานะหนึ่งระหว่าง0หรือ1เท่านั้นโดยกระบวนการนี้เป็นขั้นตอนที่สำคัญในการนำผลลัพธ์ของการคำนวณออกมา

6.ระบบระบายความร้อนควอนตัมคอมพิวเตอร์ต้องการสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์เพื่อลดสัญญาณรบกวนรักษาความเสถียรของสถานะควอนตัมและต้องใช้ระบบควบคุมที่ซับซ้อนเพื่อจัดการการสื่อสารระหว่างคิวบิต

7.วัสดุสำหรับคิวบิตคิวบิตสามารถสร้างขึ้นจากวัสดุที่แตกต่างกันได้เช่นอะตอมไอออนดักจับตัวนำยิ่งยวด  หรืออนุภาคแสงขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่ใช้ในการสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์นั้นๆองค์ประกอบทั้งหมดนี้ทำให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์มีศักยภาพในการแก้ปัญหาที่ซับซ้อนมากขึ้นกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก

 

ประสิทธิภาพของควอนตัมคอมพิวเตอร์

ประสิทธิภาพของควอนตัมคอมพิวเตอร์มีศักยภาพที่สูงกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมในหลายด้านโดยเฉพาะในปัญหาที่ซับซ้อนซึ่งต้องการการประมวลผลที่เร็วและมีการคำนวณแบบขนานเด่นสำคัญเกี่ยวกับประสิทธิภาพของควอนตัมคอมพิวเตอร์มีดังนี้:

1.ความเร็วในการประมวลผล ควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถแก้ปัญหาบางประเภทได้เร็วกว่าอย่างมากเมื่อเทียบกับคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมตัวอย่าง เช่น อัลกอริทึม Shor’s Algorithmของควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถใช้แยกตัวประกอบของจำนวนเต็มขนาดใหญ่อย่างรวดเร็วซึ่งกระทบกับความปลอดภัยของการเข้ารหัสสมัยใหม่ ในขณะที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกอาจใช้เวลาหลายพันปีในการแก้ปัญหาเหล่านี

2.การประมวลผลแบบขนาน ด้วยปรากฏการณ์การซ้อนทับ และการพันกันควอนตัม คิวบิตสามารถดำเนินการคำนวณหลายรายการพร้อมกันซึ่งทำให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถประมวลผลข้อมูลได้หลายวิธีในเวลาเดียวกัน

3.ประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาบางประเภท ควอนตัมคอมพิวเตอร์เหมาะสมกับการแก้ปัญหาที่ซับซ้อน เช่น การค้นหาฐานข้อมูลที่ไม่ได้มีโครงสร้าง การจำลองปฏิกิริยาทางเคมี และฟิสิกส์ควอนตัมที่ซับซ้อน ซึ่งคอมพิวเตอร์ทั่วไปไม่สามารถจำลองได้ในเวลาที่เหมาะสม

4.อัลกอริทึมควอนตัม ควอนตัมคอมพิวเตอร์มีอัลกอริทึมเฉพาะที่ช่วยให้สามารถคำนวณได้เร็วขึ้นอย่างมาก สามารถลดเวลาที่ใช้ในการค้นหาได้อย่างมหาศาล ควอนตัมคอมพิวเตอร์มีอัลกอริทึมเฉพาะที่ช่วยให้สามารถคำนวณได้เร็วขึ้นอย่างมาก สามารถลดเวลาที่ใช้ในการค้นหาได้อย่างมหาศาล

5.ประสิทธิภาพเชิงทรัพยากร ควอนตัมคอมพิวเตอร์บางประเภทสามารถลดการใช้พลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาบางประเภทเมื่อเทียบกับการใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ที่ต้องใช้พลังงานมากอย่างไรก็ตามระสิทธิภาพของควอนตัมคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันยังมีข้อจำกัดในบางด้านเนื่องจากเทคโนโลยีนี้ยังอยู่ในช่วงการพัฒนาซึ่งข้อจำกัดเหล่านี้รวมถึง:ความเสถียรของคิวบิต:คิวบิตมีความไวต่อสัญญาณรบกวนและการสูญเสียข้อมูลเนื่องจากการรบกวนจากสภาพแวดล้อม ทำให้ต้องพัฒนาระบบควบคุมความเสถียร และการแก้ไขข้อผิดพลาดที่ซับซ้อนจำนวนคิวบิต:ควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่มีจำนวนคิวบิตมากยังไม่สามารถพัฒนาได้ในปริมาณที่ใหญ่พอสำหรับการแก้ปัญหาขนาดใหญ่ในระดับการใช้งานจริงได้แม้ว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์จะยังไม่พร้อมสำหรับการประยุกต์ใช้ในเชิงพาณิชย์อย่างเต็มที่ แต่มีความเป็นไปได้สูงว่าเมื่อเทคโนโลยีนี้พัฒนาไปมากขึ้นจะสามารถใช้ในการแก้ปัญหาที่ไม่สามารถทำได้ในปัจจุบัน

 

 

ปัญหาและอุปสรรค

ควอนตัมคอมพิวเตอร์มีศักยภาพสูงในการเปลี่ยนแปลงวงการคำนวณ แต่การพัฒนาเทคโนโลยีนี้ยังคงเผชิญกับอุปสรรคและความท้าทายหลายประการ ดังนี้

1.ความเสถียรของคิวบิต คิวบิตในควอนตัมคอมพิวเตอร์มีความไวต่อสัญญาณรบกวนและการแทรกแซงจากสิ่งแวดล้อม(decoherence)ซึ่งทำให้ข้อมูลสูญหายหรือเกิดข้อผิดพลาดได้ง่ายการรักษาสถานะควอนตัมของคิวบิตให้คงที่และใช้งานได้ในระยะเวลาที่ยาวนานจึงเป็นเรื่องท้าทายการพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อป้องกันการสูญเสียสถานะเหล่านี้ยังต้องการการวิจัยเพิ่มเติม

2.การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม เนื่องจากคิวบิตมีความอ่อนไหวและเกิดข้อผิดพลาดได้ง่ายการพัฒนาระบบแก้ไขข้อผิดพลาดในระดับควอนตัมจึงเป็นสิ่งจำเป็นแต่การแก้ไขข้อผิดพลาดในควอนตัมคอมพิวเตอร์มีความซับซ้อนกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไปมากต้องใช้คิวบิตเพิ่มเติมจำนวนมากเพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดในแต่ละกระบวนการคำนวณ

3.การขยายระบบให้มีจำนวนคิวบิตมากพอ ปัจจุบันควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่สามารถใช้งานได้มีจำนวนคิวบิตจำกัดซึ่งยังไม่เพียงพอที่จะใช้ในการแก้ปัญหาขนาดใหญ่ที่ซับซ้อนการพัฒนาคอมพิวเตอร์ที่มีคิวบิตจำนวนมากขึ้นในขณะที่ยังคงความเสถียรและลดข้อผิดพลาดถือเป็นอุปสรรคสำคัญที่ต้องแก้ไข

4.การเชื่อมโยงคิวบิต การเชื่อมต่อคิวบิตแต่ละตัวในการทำงานร่วมกันเป็นสิ่งที่สำคัญแต่เป็นเรื่องที่ยากเมื่อจำนวนคิวบิตเพิ่มขึ้นการจัดการการเชื่อมโยงระหว่างคิวบิตที่มีประสิทธิภาพสูงและปราศจากข้อผิดพลาดยังเป็นเรื่องท้าทาย

5.ความซับซ้อนในการออกแบบฮาร์ดแวร์ การสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ต้องใช้เทคโนโลยีขั้นสูง เช่น ระบบที่ทำงานในอุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์หรือระบบควบคุมไอออนซึ่งต้องใช้ความแม่นยำสูงและมีความซับซ้อนในการสร้าง นอกจากนี้ยังมีปัญหาด้านต้นทุนสูงและการออกแบบระบบที่สามารถรองรับการทำงานในเชิงพาณิชย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

6.การพัฒนาซอฟต์แวร์ควอนตัม แม้ว่าจะมีการพัฒนาอัลกอริทึมควอนตัมที่มีศักยภาพสูง แต่การสร้างซอฟต์แวร์ที่สามารถใช้งานควอนตัมคอมพิวเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพยังอยู่ในขั้นต้นการออกแบบอัลกอริทึมและการเขียนโปรแกรมสำหรับควอนตัมคอมพิวเตอร์แตกต่างจากการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมอย่างมาก ซึ่งจำเป็นต้องมีนักพัฒนาและผู้เชี่ยวชาญเฉพาะด้านเข้ามาช่วยในการ

พัฒนาซอฟต์แวร์และระบบปฏิบัติการ

7.การขาดมาตรฐาน เทคโนโลยีควอนตัมคอมพิวเตอร์ยังไม่มีมาตรฐานกลางที่ใช้ทั่วโลกทำให้แต่ละบริษัทและสถาบันวิจัยใช้วิธีการพัฒนาและการออกแบบที่แตกต่างกันซึ่งทำให้ยากต่อการร่วมมือกันในระดับสากลการพัฒนามาตรฐานในด้านฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์จะช่วยให้การพัฒนาเทคโนโลยีนี้เร็วขึ้นและทำงานร่วมกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

8.ต้นทุนการพัฒนา การสร้างและวิจัยควอนตัมคอมพิวเตอร์ต้องใช้ทรัพยากรและงบประมาณมหาศาลทั้งในด้านของฮาร์ดแวร์ระบบควบคุมและการวิจัยฟิสิกส์ควอนตัมการลดต้นทุนการผลิตและการพัฒนาจะเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการขยายตัวของเทคโนโลยีนี้แม้จะมีอุปสรรคเหล่านี้แต่ควอนตัมคอมพิวเตอร์ยังคงเป็นเทคโนโลยีที่มีศักยภาพสูงและมีความคืบหน้าในการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเมื่อสามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้ จะเปิดโอกาสให้เทคโนโลยีควอนตัมมีบทบาทสำคัญในหลากหลายอุตสาหกรรม

 

 

 

สรุป

ควอนตัมคอมพิวเตอร์เป็นเทคโนโลยีแห่งอนาคตที่มีศักยภาพสูงในการเปลี่ยนแปลงโลกของการคำนวณ ด้วยการใช้หลักการควอนตัมฟิสิกส์ เช่น การซ้อนทับสถานะและการพันกันควอนตัม ควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถประมวลผลข้อมูลได้เร็วและมีประสิทธิภาพมากกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมในหลายๆด้านโดยเฉพาะในปัญหาที่ซับซ้อนซึ่งคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมไม่สามารถแก้ได้ในเวลาที่เหมาะสม

แม้ว่าปัจจุบันควอนตัมคอมพิวเตอร์ยังอยู่ในช่วงการพัฒนาและเผชิญกับอุปสรรคต่างๆเช่นความไม่เสถียรของคิวบิตและการแก้ไขข้อผิดพลาดแต่ความก้าวหน้าในด้านการเพิ่มจำนวนคิวบิตการพัฒนาอัลกอริทึมควอนตัมใหม่ๆ และการพัฒนาฮาร์ดแวร์ควอนตัมอย่างต่อเนื่องกำลังทำให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์เข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้นอนาคตของควอนตัมคอมพิวเตอร์คาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในหลากหลายสาขาเช่น การแพทย์การเงินการพัฒนาวัสดุและการรักษาความปลอดภัยข้อมูลนอกจากนี้การสร้างเครือข่ายควอนตัมและระบบควอนตัมคลาสสิกไฮบริดยังเป็นแนวโน้มสำคัญที่จะช่วยให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์ใช้งานได้อย่างกว้างขวางและปลอดภัยมากขึ้นในภาพรวมควอนตัมคอมพิวเตอร์จะมีผลกระทบอย่างมากต่ออนาคตของเทคโนโลยี และการพัฒนานี้จะช่วยเปิดประตูสู่การแก้ปัญหาที่ซับซ้อนซึ่งยังไม่สามารถทำได้ในปัจจุบัน

 

เอกสารอ้างอิง

1.Holton, William Coffeen. “quantum computer”. Encyclopedia Britannica. Encyclopædia Britannica. Retrieved 4 December 2021.

2.Brooks, Michael (24 May 2023). “Quantum computers: what are they good for?”. Nature. 617 (7962): S1–S3.

3. Monroe, Don (December 2022). “Quantum Computers and the Universe”. Communications of the ACM.