ปัญหาควอนตัม: คุณไม่มีทางรู้อนาคตได้จริง

ประเด็นควอนตัม: คุณไม่มีวันรู้อนาคตได้จริง

การถกเถียงกันว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นภัยคุกคามที่เป็นจริงต่อเครือข่าย Bitcoin หรือไม่ มีมานานกว่าหนึ่งทศวรรษแล้ว มันเป็นหัวข้อที่ถูกพูดถึงอย่างจริงจังเมื่อกว่า 13 ปีก่อน ซึ่งเป็นช่วงเดียวกับที่ผมเริ่มรู้จัก Bitcoin เอง

ตั้งแต่สมัยนั้น ตอนที่ผมยังเป็นมือใหม่ที่พยายามทำความเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้น จนถึงทุกวันนี้ ได้มีความก้าวหน้าเกิดขึ้นค่อนข้างมาก ทั้งในด้านทฤษฎีและงานวิศวกรรมในโลกจริง

มีหมุดหมายสำคัญสองประการที่เกิดขึ้นตั้งแต่นั้น ซึ่งส่งผลอย่างมีนัยสำคัญต่อความเป็นไปได้ที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริงจะถูกสร้างขึ้นในช่วงทศวรรษหน้า แม้ว่าจะไม่ได้แปลว่ามันจะแพร่หลายหรือเข้าถึงง่ายสำหรับผู้มีทุนมหาศาลก็ตาม

แต่ก็มีความเป็นไปได้สูงที่เครื่องจักรที่ใช้งานได้จำนวนหนึ่งจะถูกผลิตออกมาในอนาคตอันใกล้

ความก้าวหน้าด้านการแก้ไขข้อผิดพลาด

ความก้าวหน้าที่สำคัญประการแรกคือการแก้ไขข้อผิดพลาด เพื่อชดเชยสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเมื่อทำงานในระดับที่เล็กมากเช่นนี้ การสร้าง logical qubit หนึ่งตัวที่ใช้งานได้จริงจำเป็นต้องใช้ physical qubit ซ้ำซ้อนหลายตัว

วิธีที่ล้ำหน้าที่สุดก่อนหน้านี้คือ surface codes ซึ่งเป็นวิธีจัดกลุ่ม physical qubit หลายตัวเข้าด้วยกันเป็นตาราง โดยใช้บางส่วนเป็น check qubits ที่คอย "ตรวจสอบ" เพื่อนบ้านเป็นระยะเพื่อให้แน่ใจว่าไม่เกิดข้อผิดพลาดภายในในสถานะซ้อนทับ (โดยไม่ทำให้สถานะซ้อนทับยุบตัว) ช่องว่างในตารางแต่ละตารางจำเป็นต้องเติมด้วย check qubits

ข้อกำหนดเรื่อง check qubit นี้ก่อให้เกิดภาระเพิ่มเติมที่อาจสูงถึงเกือบ 1,000 physical qubits ต่อ logical qubit หนึ่งตัว และยิ่งแย่เมื่อขยายขนาด เพราะ check qubits ตรวจสอบได้เฉพาะ qubits ที่อยู่ติดกันเท่านั้น ดังนั้นทุกกลุ่มจึงต้องมีตัวตรวจสอบในระยะห่างเท่ากัน

Quantum low-density parity-check (qLDPC) codes ช่วยขจัดคอขวดนี้ โดยอนุญาตให้ check qubits ตรวจสอบ qubits อื่นได้ในระยะไกล (ผ่านเส้นทางที่ถักทอสื่อสารข้ามส่วนต่างๆ ของชิป หรือโดยการย้ายอะตอมจริงๆ อย่างในดีไซน์ neutral atom) ทั่วทั้งอุปกรณ์ ส่งผลให้จำนวน physical qubits ที่จำเป็นต่อการสร้าง logical qubit ที่เชื่อถือได้ลดลง 10 เท่า

นั่นไม่ใช่เรื่องเล็ก แม้จะยังไม่ใช่เครื่องที่ทำงานเต็มรูปแบบที่กำลังพัฒนาประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น แต่ก็เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญในกระบวนการวิศวกรรมที่อยู่เบื้องหลังการผลิตคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้สมบูรณ์

ความก้าวหน้าในการพิสูจน์หลักการพื้นฐาน

ประการที่สองเกี่ยวข้องกับคำถามพื้นฐานกว่านั้น นั่นคือการยืนยันว่าการเพิ่ม physical qubits จำนวนมากขึ้นนำไปสู่การลดลงของสัญญาณรบกวนโดยรวมในระบบ แทนที่จะเพิ่มขึ้น จนถึงตอนนี้ยังคงเป็นเพียงทฤษฎี และต้องจำไว้ว่าจนถึงทุกวันนี้ยังไม่เคยมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานสมบูรณ์ซึ่งคำนวณสิ่งที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกทำไม่ได้ตั้งแต่ต้นจนจบ

Google ได้ทำการทดลองโดยใช้ชิป Sycamore (และต่อมาคือ Willow) เพื่อตรวจสอบเชิงทดลองถึงผลของการเพิ่ม physical qubits ต้องชี้ให้ชัดว่านี่ไม่ใช่การสาธิตการคำนวณ แต่เป็นเพียงการสาธิตการจัดเก็บข้อมูลในหน่วยความจำโดยไม่เสื่อมสภาพ

พวกเขาแสดงให้เห็นผ่านการใช้ logical qubits ที่ประกอบจาก physical qubits กลุ่มละ 17, 49 และ 101 ตัว ว่าอัตราข้อผิดพลาดเชิงตรรกะ ซึ่งคือความถี่ของการเสียหายของข้อมูล ลดลงเมื่อจำนวน physical qubits เพิ่มขึ้น การทดสอบนี้ผ่านเกณฑ์สำคัญ ที่ซึ่ง logical qubit ที่สร้างจาก physical qubits เหล่านี้คงสภาพความสอดคล้อง (coherence) ได้นานกว่า physical qubit ใดๆ ที่ประกอบขึ้นเป็นมัน

อีกครั้ง นี่ไม่ใช่การก้าวไปสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานสมบูรณ์ซึ่งคำนวณสิ่งที่เครื่องแบบคลาสสิกทำไม่ได้ แต่เป็นความก้าวหน้าที่จับต้องได้ในการพิสูจน์สมมติฐานพื้นฐานข้อหนึ่งที่อยู่เบื้องหลังคอมพิวเตอร์ควอนตัม

AI

นี่ไม่ใช่สิ่งเดียวที่เรากำลังค้นพบวิธีแก้ปัญหาที่ดีกว่าในปริศนานี้ ปัญญาประดิษฐ์ (AI) กลายเป็นองค์ประกอบสำคัญในระบบเหล่านี้ มันถูกใช้ในกระบวนการอ่านและถอดรหัสข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมจริง ซึ่งเป็นคอขวดสำคัญในการนำไปใช้ในวงกว้าง

AI ยังถูกใช้ในการพัฒนาอัลกอริทึมควอนตัมใหม่ที่ปรับให้เหมาะกับเครื่องจักรประเภทนี้ และเมื่อพิจารณาจากช่วงหลังที่ AI ช่วยแก้ปัญหาสำคัญๆ ในสาขาคณิตศาสตร์ (หรือแม้แต่หักล้างข้อสันนิษฐานที่มีอยู่) การคาดหวังว่า AI จะนำไปสู่ความก้าวหน้าครั้งใหญ่ก็ไม่ใช่เรื่องเกินจริง

AI ถูกนำมาใช้ในลักษณะเดียวกันในการออกแบบวงจรควอนตัมทางกายภาพจริงที่สร้างด้วยสถาปัตยกรรมต่างๆ ซึ่งเป็นปัญหาที่ซับซ้อนมากจริงๆ การหาวิธีที่เหมาะสมที่สุดในการจัดวาง quantum gates ในพื้นที่กายภาพเพื่อลดสัญญาณรบกวนในระดับควอนตัมให้น้อยที่สุด โดยไม่สร้างพื้นที่ว่างมากจนเกิดความล่าช้า ความไร้ประสิทธิภาพ และปัญหาอื่นๆ ที่ต้องแก้ไข

นี่คือปัจจัยที่อาจเร่งความก้าวหน้าในการแก้ปัญหาพื้นฐานที่จำเป็นได้อย่างมาก

มุมมองในอนาคต

ในที่สุด ในความคิดของผม ทุกอย่างลงมาที่คำถามเดียว: สมมติฐานที่ว่าการเพิ่ม physical qubits จะลดสัญญาณรบกวนนั้น ยังคงถูกต้องหรือไม่เมื่อพูดถึงการคำนวณและการจัดการข้อมูลควอนตัมอย่างแข็งขัน

หากสมมติฐานนั้นยังคงยืนหยัด และไม่ถูกหักล้างเชิงทดลองในอนาคตอันใกล้ ผมคิดว่ามีเหตุผลอย่างสมจริงมากที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จะถูกสร้างขึ้นภายในสิบปีข้างหน้า

มีทรัพยากรมหาศาลที่ถูกทุ่มเทให้กับปัญหานี้ มีความก้าวหน้าที่สำคัญ (แต่ไม่ถึงกับท่วมท้น) ในการแก้ปัญหาแต่ละส่วน และถ้าโดยพื้นฐานแล้วมีวิธีทำบางสิ่งบางอย่าง มนุษย์มักจะหามันเจอ

ผมไม่ได้บอกว่าถึงเวลาต้องตกใจ แต่อย่ามองข้ามความเป็นไปได้นี้

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของฉบับพิมพ์ล่าสุดของ Bitcoin Magazine ในหัวข้อ The Quantum Issue เราแบ่งปันที่นี่เพื่อให้เห็นล่วงหน้าถึงแนวคิดที่ได้รับการสำรวจตลอดทั้งฉบับ

บทความนี้ The Quantum Issue: You Never Really Know The Future ตีพิมพ์ครั้งแรกบน Bitcoin Magazine โดย Shinobi