การประมวลผลแบบควอนตัมคืออะไร

กลศาสตร์ควอนตัมเป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาพฤติกรรมของอนุภาคในระดับจุลภาค ในระดับต่ำกว่าอะตอม สมการที่อธิบายว่าอนุภาคมีพฤติกรรมแตกต่างจากที่อธิบายโลกมหภาครอบตัวเรา คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ประโยชน์จากพฤติกรรมเหล่านี้ในการคำนวณด้วยวิธีใหม่ทั้งหมด

คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานโดยใช้หลักการควอนตัม หลักการควอนตัมจำเป็นต้องมีพจนานุกรมคำศัพท์ใหม่เพื่อให้เข้าใจอย่างถ่องแท้ เช่นคำว่า การทับซ้อน การพัวพัน และการแยกส่วน มาทำความเข้าใจหลักการเหล่านี้ด้านล่างกัน

การทับซ้อน

การทับซ้อนระบุว่า เช่นเดียวกับคลื่นในฟิสิกส์ทั่วไป คุณสามารถเพิ่มสถานะควอนตัมได้ตั้งแต่สองสถานะขึ้นไป และผลลัพธ์จะเป็นสถานะควอนตัมที่ถูกต้องอีกสถานะหนึ่ง ในทางกลับกัน คุณยังสามารถแสดงทุกสถานะควอนตัมเป็นผลรวมของสถานะที่แตกต่างกันสองสถานะขึ้นไป การทับซ้อนของคิวบิตนี้ทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีความขนานกันโดยธรรมชาติ ทำให้สามารถประมวลผลการดำเนินการหลายล้านรายการพร้อมกันได้

การพัวพัน

การพัวพันกันของควอนตัมเกิดขึ้นเมื่อสองระบบเชื่อมโยงกันอย่างใกล้ชิดจนความรู้เกี่ยวกับระบบหนึ่งช่วยให้คุณทราบได้ทันทีเกี่ยวกับอีกระบบหนึ่ง ไม่ว่าจะห่างกันแค่ไหนก็ตาม โปรเซสเซอร์ควอนตัมสามารถสรุปเกี่ยวกับอนุภาคหนึ่งโดยการวัดอีกอนุภาคหนึ่ง ตัวอย่างเช่น พวกเขาสามารถระบุได้ว่าหากคิวบิตหนึ่งหมุนขึ้น อีกคิวบิตจะหมุนลงเสมอ และในทางกลับกัน การพัวพันกันของควอนตัมช่วยให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถแก้ปัญหาที่ซับซ้อนได้รวดเร็วยิ่งขึ้น

เมื่อมีการวัดสถานะควอนตัม ฟังก์ชันคลื่นจะหายไปและวัดสถานะเป็นศูนย์หรือหนึ่ง ในสถานะที่ทราบหรือกำหนดขึ้นนี้ คิวบิตทำหน้าที่เป็นบิตทั่วไป การพัวพันคือความสามารถของคิวบิตในการเชื่อมโยงสถานะของพวกเขากับคิวบิตอื่นๆ

การแยกส่วน

การแยกส่วนคือการสูญเสียสถานะควอนตัมในหน่วยคิวบิต ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น การแผ่รังสี อาจทำให้สถานะควอนตัมของคิวบิตพังทลาย อุปสรรคใหญ่ด้านวิศวกรรมในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมคือการออกแบบคุณลักษณะต่างๆ ที่พยายามชะลอการถอดรหัสของรัฐ เช่น การสร้างโครงสร้างพิเศษที่ป้องกันคิวบิตจากฟิลด์ภายนอก

ไม่มีใครแสดงวิธีที่ดีที่สุดในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนต่อข้อผิดพลาด และบริษัทและกลุ่มวิจัยหลายแห่งกำลังตรวจสอบคิวบิตประเภทต่างๆ ด้านล่างนี้คือตัวอย่างคร่าวๆ ของเทคโนโลยีคิวบิตเหล่านี้

โปรเซสเซอร์กับดักไอออนที่ใช้เกต

คอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบใช้เกทเป็นอุปกรณ์ที่รับข้อมูลอินพุตและแปลงตามการดำเนินการรวมกันที่กำหนดไว้ล่วงหน้า การดำเนินการโดยทั่วไปจะแสดงด้วยวงจรควอนตัมและคล้ายคลึงกับการทำงานของเกตในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม เกตควอนตัมแตกต่างจากเกตอิเล็กทรอนิกส์โดยสิ้นเชิง

คอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบกับดักไอออนจะนำคิวบิตมาใช้โดยใช้สถานะอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมที่มีประจุที่เรียกว่าไอออน ไอออนจะถูกจำกัดและแขวนลอยอยู่เหนือกับดักที่ทำด้วยไมโครไฟเบอร์โดยใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้า ระบบแบบไอออนกับดักใช้ประตูควอนตัมโดยใช้เลเซอร์เพื่อควบคุมสถานะอิเล็กทรอนิกส์ของไอออน  คิวบิตไอออนที่ดักจับนั้นใช้อะตอมที่มาจากธรรมชาติมากกว่าการผลิตคิวบิตแบบสังเคราะห์

โปรเซสเซอร์นำไฟฟ้ายิ่งยวดที่ใช้เกต

ความเป็นตัวนำยิ่งยวดคือชุดของคุณสมบัติทางกายภาพที่คุณสามารถสังเกตได้ในวัสดุบางชนิด เช่น ปรอทและฮีเลียมที่อุณหภูมิต่ำมาก ในวัสดุเหล่านี้ คุณสามารถสังเกตอุณหภูมิวิกฤตที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งต่ำกว่าความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์และสนามฟลักซ์แม่เหล็กถูกขับออกไป กระแสไฟฟ้าผ่านวงจรของลวดตัวนำยิ่งยวดสามารถคงอยู่ได้ไม่มีกำหนดโดยไม่มีแหล่งพลังงาน

การคำนวณควอนตัมตัวนำยิ่งยวดคือการนำคอมพิวเตอร์ควอนตัมไปใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีตัวนำยิ่งยวด คิวบิตนำไฟฟ้ายิ่งยวดสร้างขึ้นด้วยวงจรไฟฟ้ายิ่งยวดซึ่งทำงานที่อุณหภูมิไครโอจินิก

โปรเซสเซอร์โฟโตนิก

โปรเซสเซอร์ควอนตัมโฟโตนิกเป็นอุปกรณ์ที่ควบคุมแสงสำหรับการคำนวณ คอมพิวเตอร์ควอนตัมโฟโตนิกใช้แหล่งกำเนิดแสงควอนตัมที่ปล่อยพัลส์ของแสงที่ถูกบีบ โดยมีค่าเทียบเท่าคิวบิตที่สอดคล้องกับโหมดของตัวดำเนินการต่อเนื่อง เช่น ตำแหน่งหรือโมเมนตัม

โปรเซสเซอร์อะตอมที่เป็นกลาง

เทคโนโลยีคิวบิตของอะตอมที่เป็นกลางคล้ายกับเทคโนโลยีไอออนที่ติดอยู่ อย่างไรก็ตาม มันใช้แสงแทนแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อดักจับคิวบิตและยึดไว้ในตำแหน่ง อะตอมจะไม่ถูกชาร์จและวงจรสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้อง

โปรเซสเซอร์อะตอม Rydberg

อะตอม Rydberg เป็นอะตอมที่มีปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนอย่างน้อยหนึ่งตัวซึ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสโดยเฉลี่ย อะตอม Rydberg มีคุณสมบัติพิเศษหลายอย่าง รวมถึงการตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เกินจริง และอายุที่ยืนยาว เมื่อใช้เป็นคิวบิต พวกมันมีปฏิสัมพันธ์ของอะตอมที่แข็งแกร่งและควบคุมได้ ซึ่งคุณปรับแต่งได้โดยการเลือกสถานะต่างๆ

Quantum Annealers

การหลอมด้วยควอนตัมใช้กระบวนการทางกายภาพเพื่อวางคิวบิตของระบบควอนตัมในพลังงานต่ำสุดที่แน่นอน จากนั้น ฮาร์ดแวร์จะค่อยๆ เปลี่ยนการกำหนดค่าของระบบเพื่อให้แนวพลังงานสะท้อนถึงปัญหาที่ต้องแก้ไข ข้อดีของการหลอมด้วยควอนตัมคือจำนวนคิวบิตอาจมากกว่าที่มีอยู่ในระบบที่ใช้เกท อย่างไรก็ตาม การใช้งานจะจำกัดเฉพาะบางกรณีเท่านั้น

หากต้องการลองใช้การประมวลผลแบบควอนตัม คุณสามารถเริ่มต้นด้วยโปรแกรมจำลองฮาร์ดแวร์ควอนตัมบนเครื่องของคุณ โปรแกรมจำลองเป็นซอฟต์แวร์ปกติที่เลียนแบบพฤติกรรมควอนตัมบนคอมพิวเตอร์ทั่วไป สามารถคาดเดาได้และช่วยให้คุณเห็นสถานะควอนตัม ซึ่งมีประโยชน์หากคุณต้องการทดสอบอัลกอริทึมก่อนที่จะลงทุนในช่วงฮาร์ดแวร์ควอนตัม อย่างไรก็ตาม โปรแกรมจำลองไม่สามารถสร้างพฤติกรรมควอนตัมที่แท้จริงได้

คุณยังสามารถใช้บริการคลาวด์ควอนตัมเพื่อเขียนโค้ดบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่แท้จริงโดยไม่ต้องลงทุนกับฮาร์ดแวร์ราคาแพง