Google เผยงานวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับ Quantum Computer ว่าสามารถบรรลุ Quantum Supremacy ได้แล้ว
สำหรับใครที่ยังไม่รู้จัก Quantum Computer รบกวนอ่านบทความด้านล่างนี้ก่อนนะครับ จะได้เข้าใจมากยิ่งขึ้น
สืบเนื่องจากงานวิจัยเกี่ยวกับ Quantum Computer ของ Google ที่มีชื่อว่า “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor” ที่ตีพิมพ์ลงในวารสารงานวิจัยชื่อดังอย่าง Nature โดยได้รับการเผยแพร่ทางช่องทางออนไลน์เมื่อวานที่ผ่านมา (23/10/2019) ว่างานวิจัยดังกล่าวเป็นจุดเริ่มต้นที่ Quantum Computer นั้นได้สามารถบรรลุเป้าหมาย “Quantum Supremacy”
Quantum Supremacy หมายความว่าอะไร?
John Preskill นักฟิสิกส์ทฤษฎีจาก Caltech (California Institute of Technology) ได้ให้นิยามกับ Quantum Supremacy ไว้ว่า
The demonstration of a quantum computer that can carry out tasks that are not possible or practical with a traditional computer.
แปลเป็นไทยคือ
การแสดงที่สามารถทำให้เห็นได้ว่า Quantum Computer ประมวลผลได้รวดเร็วเกินกว่าที่ Classical Computer จะสามารถทำได้แล้ว
งานวิจัยดังกล่าวมีรายละเอียดอย่างไรบ้าง
นักวิจัยของ Google ได้พัฒนาหน่วยประมวลควอนตัมที่มีชื่อว่า “Sycamore” ประกอบไปด้วยหน่วยประมวลผล Qubit 54 หน่วย ที่เป็น Quantum logic gate อันแสนรวดเร็วและแม่นยำ โดยได้นำ Processor ดังกล่าวไปทดสอบการประมวลผลในการทดลอง พบว่าใช้เวลาในการประมวลผลเพียง 200 วินาที ขณะที่ Supercomputer (ที่ยังเป็น Classical Computer) ที่เร็วที่สุดในโลก ต้องใช้เวลาในการประมวลผลถึง 10,000 ปี จึงจะให้ผลที่ออกมาเหมือนกัน
การทดลอง
นักวิจัยได้ทำการทดลองรันการสุ่ม Quantum Circuit บน Qunatum Computer ดังกล่าวในการสร้าง Bitstring (ชุดตัวเลขฐานสอง หรือ Bit array นั่นเอง) ซึ่งความสามารถในสร้าง bitstring นี้จะเพิ่มขึ้นด้วยปริมาณ Qubit และรอบของ Gate Cycle และนำไปประมวลผลค่า linear cross-entropy benchmarking fidelity ดังสมการด้านล่าง
การทดลองจะทำตั้งแต่ 12–53 Qubit (จาก Simplified ไป Hard) โดยเพิ่มปริมาณ Gate Cycle ขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งไม่คุ้มค่าต่อการประมวลผลแล้วนั่นเอง
ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นแนวโน้มตามแผนผัง Schrödinger-Feynman algorithm ที่จะเป็นการเทียบกันระหว่างจำนวนของ Qubit ,จำนวน Gate Cycle และปริมาณ Memory ที่ใช้งาน
ผลการทดลองพบว่า เป็นครั้งแรกที่การประมวลผลด้วย Quantum Computer ครั้งนี้ ไม่สามารถนำโมเดลดังกล่าวไปประมวลผลบน Classical Computer ได้เลย (จริงๆมันก็ได้แหละแต่ไม่คุ้ม เพราะใช้เวลาและทรัพยากรมาก)
ชิป Sycamore เคล็ดลับความแรง
ชิป Sycamore เป็น programmable(สามารถเขียนโปรแกรมได้) 54-qubit processor ที่ใช้ในการทดลองนี้ โดยแต่ละ Qubit จะทำการเชื่อมต่อกันเป็น Grid แบบ 2 มิติ โดยแต่ละ Qubit นั้นเชื่อมต่อกับ Qubit อื่นๆ อีก 4 Qubit ด้วยกัน ทำให้แต่ละ Qubit สามารถเชื่อมต่อถึงกันได้อย่างรวดเร็วในระดับที่หน่วยประมวลผลแบบ Classical Processor (Transistor ที่เก็บสถานะเป็น bit) ไม่สามารถทำได้ นอกจากนี้การที่มี Two-Qubit gate นั้นทำให้สามารถทำการ Parallel Computing (การประมวลผลแบบขนาน) ได้ ยิ่งเพิ่มประสิทธิภาพยิ่งขึ้นไปอีก และลดข้อพิดพลาดต่างๆ
การประยุกต์ใช้
ตอนนี้ทางผู้พัฒนากำลังสร้าง Application ทางการ Simulation ด้าน Quantum Physics และ Quantum Chemistry รวมไปถึง Machine Learning และอื่นๆอีกมากมายเลยทีเดียว
ก้าวต่อไป
ทางผู้วิจัยได้วางเป้าหมายสำหรับ Quantum Computer ระดับ Quantum Supremacy ไว้
2 ลำดับ ดังนี้
ขั้นแรก : เปิดให้นักวิจัยที่ร่วมมือกันนี้รวมไปถึงบริษัทอื่นๆที่สนใจ จะนำ Quamtum Computer ระดับ Quantum Supremacy ไปทำงานวิจัยเกี่ยวกับ NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) Processor
เมื่อปีที่แล้ว Google เปิด “Cirq” ซึ่งเป็น Framework สำหรับการพัฒนา NISQ Algorithms แบบ Open-source ใครสนใจดูลิ้งค์ด้านล่างนี้ครับ
ขั้นที่สอง : เปิดให้นักวิจัยด้านอื่นๆมาใช้งาน เช่น สร้างวัสดุใหม่ๆ, แบตเตอรี่น้ำหนักเบาสำหรับรถหรือเครื่องบิน, ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดใหม่ และปุ๋ยรักษ์โลก เป็นต้น
อย่างไรก็ตาม ทาง IBM ออกมาโต้แย้งว่า Supercomputer ในปัจจุบันก็สามารถทำการประมวลผลดังกล่าวได้ด้วยเช่นกัน โดยใช้เวลาเพียง 2 วันครึ่งเท่านั้น…
ความเห็นของผู้เขียน
ส่วนตัวคิดว่าเป็นก้าวแรกที่ดี ที่ทาง Google สามารถสร้าง Quantum Computer ให้บรรลุ Quantum Supremacy ได้เร็วกว่าที่หลายๆคนคาดการณ์กันไว้ อย่างไรก็ดี ต้องมีการทดลองอีกมาก จึงจะเชื่อได้ว่า Quantum Computer ดังกล่าวถึงขั้น Quantum Supremacy แล้วจริงๆ และต้องรอดู Application ต่างๆที่กำลังอยู่ระหว่าง Development เมื่อปล่อยมาให้ใช้งานแล้วจะสามารถประมวลผลได้ดีสมคำร่ำลือหรือไม่ ต้องติดตามกันต่อไปยาวๆครับ
สาเหตุหลักๆที่ Sycamore สามารถประมวลผลได้เร็วกว่า Quantum Computer ที่มีจำนวน Qubit เท่าๆกัน นอกจาก Algorithm อันซับซ้อนและแสนชาญฉลาดที่ป้อนเข้าไปใช้ประมวลสำหรับการทดลองนั้น น่าจะเกิดจากการที่เชื่อมต่อกันเป็น Grid แบบ 2 มิติ และสามารถประมวลผลแบบขนานได้ น่าจะเปํนปัจจัยสำคัญเลย นอกจากปริมาณ Qubit เพราะจากที่คาดการณ์กันไว้ว่า Quantum Supremacy จะเกิดขึ้นได้ต้องใช้จำนวน Qubit มากถึง 500 ตัวขึ้นไป เพื่อมาทำการ Fault tolerance(การลดข้อผิลพลาด อ่านต่อใน “อ่านเพิ่มเติม”) ที่ใช้ในการลด Decoherence อันเนื่องจากความไม่เสถียรของ Qubit ที่จากปัจจัยทางด้านสิ่งแวดล้อม ไม่ว่าจะเป็นโดยเฉพาะอุณหภูมิ ทำให้เกิด error ระหว่างการประมวลผล ซึ่งยิ่งมีปริมาณ Qubit มาก ก็ลดค่า error ได้มากนั่นเอง (ประมวลผลชดเชยกันนั่นเอง)
นอกจากนี้ที่เห็นข่าวจากทาง IBM ว่า Supercomputer ในปัจจุบันก็สามารถรันแบบเดียวกันได้ ผู้เขียนอยากให้ทาง IBM ทดสอบบน IBM Summit ที่เป็น Supercomputer ที่เร็วที่สุดในโลกในขณะที่เขียนบทความ ลองรัน Algorithm เดียวกันกับ Google ดู ว่าได้ผลดีกว่าที่ Google ยกไปอ้างอิงหรือไม่ว่าใช้เวลาถึง 10,000 ปี
(ทาง IBM ก็มี Quantum Computer เหมือนกันนะครับ ใครสนใจลองไปเล่นเจ้า IBM Q ได้ที่ลิ้งค์ด้านล่าง)
สุดท้าย ผู้เขียนว่าการพัฒนาเทคโนโลยีทางด้าน Quantum Computing น่าจะส่งผลกระทบใหญ่ต่อมวลมนุษยชาติแน่นอน เราอาจจะใช้ Quantum Computer ในการ Encryption แบบใหม่ๆ ที่ Secure ยิ่งกว่าเดิม (Blockchain อาจได้รับผลกระทบนี้) รวมทั้งการประยุกตใช้คำนวณสิ่งต่างๆที่คอมพิวเตอร์ธรรมดาอาจใช้เวลานาน ไม่ว่าจะเป็นการคำนวณทางด้าน Quantum Mechanics หรือการ Simulation สร้างสรรค์วัสดุใหม่ๆ ที่จะนำมาใช้งานในอุปกรณ์ในอนาคต แค่คิดก็ตื่นเต้นแล้วครับผม :)
อ่านเพิ่มเติม
บทสัมภาษณ์จากคุณ Sundar Pichai, Google CEO ต่อกรณี Quantum Supremacy โดย MIT Technology Review
ความคิดเห็นจากฝากฝั่งของ IBM ต่อกรณี Quantum Supremacy
-โดย IBM Researchers
-โดย MIT Technology Review
Fault Tolerance Techniques
บทความจบแล้ว ไปติดตามเพจของเราไว้ได้เลย!
หวังว่าบทความนี้จะเป็นประโยชน์ต่อผู้อ่านไม่มากก็น้อยนะครับ และหากมีข้อผิดพลาดประการใด ขออภัย ณ ที่นี้ด้วยนะครับ ทั้งนี้ผู้อ่านสามารถติชมได้เสมอ ผมจะได้นำข้อผิดพลาดไปแก้ไขด้วยครับ ขอบคุณครับ :)
