การคำนวณควอนตัมใช้กลศาสตร์ควอนตัมในการประมวลผลข้อมูลจำนวนมหาศาลด้วยความเร็วที่เหลือเชื่อ คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้เวลาสองสามนาทีถึงหลายชั่วโมงในการแก้ปัญหาที่คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปจะใช้เวลาหลายปีหรือหลายสิบปีในการแก้ปัญหา
การคำนวณควอนตัมกำลังสร้างซูเปอร์คอมพิวเตอร์ยุคใหม่ คาดว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมเหล่านี้จะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทคโนโลยีที่มีอยู่แล้วในด้านต่างๆ เช่น การสร้างแบบจำลอง การขนส่ง การวิเคราะห์แนวโน้ม การเข้ารหัส และปัญญาประดิษฐ์
อธิบายควอนตัมคอมพิวเตอร์
ความคิดของคอมพิวเตอร์ควอนตัมถูกจินตนาการขึ้นครั้งแรกในช่วงต้นทศวรรษ 1980 โดย Richard Feynman และ Yuri ManinFeynman และ Manin เชื่อว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถจำลองข้อมูลในลักษณะที่คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปไม่สามารถทำได้ จนกระทั่งช่วงปลายทศวรรษ 1990 นักวิจัยได้สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องแรก
การคำนวณควอนตัมใช้กลศาสตร์ควอนตัม เช่น การซ้อนและการพัวพัน เพื่อดำเนินการคำนวณ กลศาสตร์ควอนตัมเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ศึกษาสิ่งที่มีขนาดเล็กมาก โดดเดี่ยว หรือเย็นชา
หน่วยประมวลผลหลักของการคำนวณควอนตัมคือควอนตัมบิตหรือคิวบิต Qubits ถูกสร้างขึ้นในคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยใช้คุณสมบัติทางกลของควอนตัมของอะตอมเดี่ยว อนุภาคย่อยของอะตอม หรือวงจรไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวด
Qubits คล้ายกับบิตที่ใช้โดยคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปที่ qubits สามารถอยู่ในสถานะควอนตัม 1 หรือ 0 Qubits ต่างกันตรงที่มันสามารถอยู่ใน superposition ของสถานะ 1 และ 0 ได้ ซึ่งหมายความว่า qubits สามารถแสดงทั้ง 1 และ 0 พร้อมกันได้
เมื่อ qubits อยู่ใน superposition สถานะควอนตัมสองสถานะจะถูกรวมเข้าด้วยกันและส่งผลให้เกิดสถานะควอนตัมอื่นการทับซ้อนหมายความว่ามีการประมวลผลการคำนวณหลายรายการพร้อมกัน ดังนั้นสอง qubits สามารถแสดงตัวเลขสี่ตัวพร้อมกันได้ คอมพิวเตอร์ทั่วไปประมวลผลบิตในสถานะที่เป็นไปได้เพียงหนึ่งในสองสถานะ คือ 1 หรือ 0 และการคำนวณจะได้รับการประมวลผลทีละรายการ
คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังใช้การพัวพันเพื่อประมวลผล qubits เมื่อ qubit ถูกพัวพัน สถานะของ qubit นั้นขึ้นอยู่กับสถานะของ qubit อื่นเพื่อให้ qubit หนึ่งแสดงสถานะของคู่ที่ไม่มีการสังเกต
ควอนตัมโปรเซสเซอร์เป็นแกนหลักของคอมพิวเตอร์
การสร้างคิวบิตเป็นงานที่ยาก ต้องใช้สภาพแวดล้อมที่แช่แข็งเพื่อรักษา qubit ไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง วัสดุตัวนำยิ่งยวดที่จำเป็นในการสร้างควิบิตจะต้องถูกทำให้เย็นลงจนเป็นศูนย์สัมบูรณ์ (ประมาณลบ 272 องศาเซลเซียส) qubits จะต้องได้รับการป้องกันจากเสียงพื้นหลังเพื่อลดข้อผิดพลาดในการคำนวณ
ภายในคอมพิวเตอร์ควอนตัมดูเหมือนโคมระย้าสีทองแฟนซี และใช่ มันทำด้วยทองคำแท้ เป็นตู้เย็นเจือจางที่ทำให้ชิปควอนตัมเย็นลงเพื่อให้คอมพิวเตอร์สามารถสร้างการซ้อนทับและพัวพัน qubits โดยไม่สูญเสียข้อมูลใด ๆ
คอมพิวเตอร์ควอนตัมสร้างคิวบิตเหล่านี้จากวัสดุใดๆ ที่แสดงคุณสมบัติทางกลของควอนตัมที่สามารถควบคุมได้ โปรเจ็กต์คอมพิวเตอร์ควอนตัมสร้างคิวบิตในรูปแบบต่างๆ เช่น ลวดตัวนำยิ่งยวดที่วนซ้ำ อิเล็กตรอนที่หมุนวน และไอออนที่ดักจับหรือพัลส์ของโฟตอน qubits เหล่านี้มีเฉพาะในอุณหภูมิจุดเยือกแข็งย่อยที่สร้างขึ้นในตู้เย็นแบบเจือจาง
ภาษาการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ควอนตัม
อัลกอริธึมควอนตัมวิเคราะห์ข้อมูลและเสนอการจำลองตามข้อมูล อัลกอริธึมเหล่านี้เขียนด้วยภาษาการเขียนโปรแกรมที่เน้นควอนตัม ภาษาควอนตัมหลายภาษาได้รับการพัฒนาโดยนักวิจัยและบริษัทเทคโนโลยี
นี่คือภาษาโปรแกรมคอมพิวเตอร์ควอนตัมบางส่วน:
- QISKit: ชุดซอฟต์แวร์ข้อมูลควอนตัมจาก IBM เป็นไลบรารีแบบฟูลสแตกสำหรับเขียน จำลอง และรันโปรแกรมควอนตัม
- Q: ภาษาโปรแกรมที่รวมอยู่ใน Microsoft Quantum Development Kit ชุดพัฒนาประกอบด้วยโปรแกรมจำลองควอนตัมและไลบรารีอัลกอริธึม
- Cirq: ภาษาควอนตัมที่พัฒนาโดย Google ที่ใช้ไลบรารีหลามเพื่อเขียนวงจรและเรียกใช้วงจรเหล่านี้ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมและเครื่องจำลอง
- Forest: สภาพแวดล้อมของนักพัฒนาที่สร้างโดย Rigetti Computing ที่เขียนและรันโปรแกรมควอนตัม
ใช้สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม
คอมพิวเตอร์ควอนตัมของจริงมีวางจำหน่ายในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา และมีบริษัทเทคโนโลยีขนาดใหญ่เพียงไม่กี่แห่งที่มีคอมพิวเตอร์ควอนตัม บริษัทเทคโนโลยีเหล่านี้บางแห่ง ได้แก่ Google, IBM, Intel และ Microsoft ผู้นำด้านเทคโนโลยีเหล่านี้กำลังทำงานร่วมกับผู้ผลิต บริษัทที่ให้บริการทางการเงิน และบริษัทเทคโนโลยีชีวภาพเพื่อแก้ไขปัญหาต่างๆ
ความพร้อมใช้งานของบริการคอมพิวเตอร์ควอนตัมและความก้าวหน้าในพลังการประมวลผลช่วยให้นักวิจัยและนักวิทยาศาสตร์มีเครื่องมือใหม่ๆ ในการค้นหาวิธีแก้ไขปัญหาที่ก่อนหน้านี้ไม่สามารถแก้ไขได้การคำนวณควอนตัมช่วยลดเวลาและทรัพยากรที่ใช้ในการวิเคราะห์ข้อมูลจำนวนมหาศาล สร้างแบบจำลองเกี่ยวกับข้อมูลนั้น พัฒนาโซลูชัน และสร้างเทคโนโลยีใหม่ที่แก้ไขปัญหาได้
ธุรกิจและอุตสาหกรรมใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อสำรวจวิธีการใหม่ๆ ในการทำธุรกิจ ต่อไปนี้คือโครงการคอมพิวเตอร์ควอนตัมบางส่วนที่อาจเป็นประโยชน์ต่อธุรกิจและสังคม:
- อุตสาหกรรมการบินและอวกาศใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อตรวจสอบวิธีที่ดีกว่าในการจัดการการจราจรทางอากาศ
- บริษัทการเงินและการลงทุนหวังว่าจะใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อวิเคราะห์ความเสี่ยงและผลตอบแทนของการลงทุนทางการเงิน ปรับกลยุทธ์พอร์ตโฟลิโอให้เหมาะสม และยุติการเปลี่ยนแปลงทางการเงิน
- ผู้ผลิตนำคอมพิวเตอร์ควอนตัมมาใช้เพื่อปรับปรุงห่วงโซ่อุปทาน เพิ่มประสิทธิภาพในกระบวนการผลิต และพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่
- บริษัทเทคโนโลยีชีวภาพกำลังสำรวจวิธีการเร่งการค้นพบยาใหม่
ค้นหาคอมพิวเตอร์ควอนตัมและทดลองกับคอมพิวเตอร์ควอนตัม
นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์บางคนพัฒนาวิธีการจำลองการคำนวณควอนตัมบนคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อป
บริษัทเทคโนโลยีที่ใหญ่ที่สุดในโลกหลายแห่งให้บริการควอนตัม เมื่อจับคู่กับคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปและระบบ บริการควอนตัมเหล่านี้จะสร้างสภาพแวดล้อมที่การประมวลผลควอนตัมกับคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปสามารถแก้ปัญหาที่ซับซ้อนได้
- IBM เสนอสภาพแวดล้อม IBM Q ด้วยการเข้าถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมจริงหลายเครื่องและการจำลองที่คุณสามารถใช้ผ่านคลาวด์
- Alibaba Cloud นำเสนอแพลตฟอร์มคลาวด์คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่คุณสามารถเรียกใช้และทดสอบรหัสควอนตัมที่สร้างขึ้นเองได้
- Microsoft ขอเสนอชุดพัฒนาควอนตัมที่รวมภาษาการเขียนโปรแกรม Q โปรแกรมจำลองควอนตัม และไลบรารีการพัฒนาของโค้ดที่พร้อมใช้งาน
- Rigetti มีแพลตฟอร์มคลาวด์ที่เน้นควอนตัมซึ่งขณะนี้อยู่ในรุ่นเบต้า แพลตฟอร์มของพวกเขาได้รับการกำหนดค่าล่วงหน้าด้วย Forest SDK
ข่าวควอนตัมคอมพิวเตอร์ในอนาคต
ความฝันคือคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะแก้ปัญหาในปัจจุบันที่ใหญ่เกินไปและซับซ้อนเกินไปที่จะแก้ไขด้วยฮาร์ดแวร์มาตรฐานโดยเฉพาะสำหรับการสร้างแบบจำลองด้านสิ่งแวดล้อมและการควบคุมโรค
คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปไม่มีพื้นที่สำหรับทำการคำนวณที่ซับซ้อนเหล่านี้และทำการวิเคราะห์ข้อมูลจำนวนมหาศาลอย่างไม่น่าเชื่อ คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้การรวบรวมข้อมูลขนาดใหญ่ที่ใหญ่ที่สุดและประมวลผลข้อมูลนี้ในเวลาเพียงเสี้ยววินาทีที่คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปใช้ ข้อมูลที่คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปใช้เวลาหลายปีในการประมวลผลและวิเคราะห์ใช้เวลาเพียงไม่กี่วันสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม
การคำนวณควอนตัมยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่มีศักยภาพในการแก้ปัญหาโลกที่ซับซ้อนที่สุดด้วยความเร็วแสง ไม่มีใครคาดเดาได้ว่าควอนตัมคอมพิวติ้งจะเติบโตได้ไกลแค่ไหนและความพร้อมใช้งานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม