ชิป Willow ชิปควอนตัมจากห้องวิจัย Google Quantum AI ของ Google เพิ่งได้เปิดตัวออกมา ซึ่งนี่คือความก้าวหน้าครั้งสำคัญของคอมพิวเตอร์ที่มีการประมวลผลแบบควอนตัม
ก่อนจะไปพูดถึง Willow เราลองมาทำความเข้าใจกันก่อนว่าชิปควอนตัมคืออะไร และทำไมถึงสำคัญ
คอมพิวเตอร์ปัจจุบันทำงานอย่างไร?
คอมพิวเตอร์ที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้ไม่ว่าจะมือถือ PC หรือเซิร์ฟเวอร์ ไปจนถึง Supercomputer ก็มีการทำงานบนพื้นฐานแบบเดียวกันนั้นก็คือ รูปแบบของบิต (bit) ซึ่งมีค่าเป็น 0 หรือ 1
ควอนตัมคอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร?
ควอนตัมคอมพิวเตอร์ใช้ควอนตัมบิต (Qubit) ในการคำนวณ คิวบิตมีพฤติกรรมตามกฎของฟิสิกส์ควอนตัม แทนที่จะถูกจำกัดให้เป็นเพียง “อย่างใดอย่างหนึ่ง” ของเลขฐานสอง 0 และ 1 แต่คิวบิตสามารถมีสถานะทั้ง 0 และ 1 ได้ในเวลาเดียวกัน
คิวบิตยังสามารถสร้างการพัวพันเชิงควอนตัม (Entangled) เพื่อสร้างคอมโบที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นได้ เช่น คิวบิตสองตัวสามารถอยู่ในรูปแบบผสมของ 00, 01, 10 และ 11 และเมื่อสร้างการพัวพันเชิงควอนตัมของคิวบิตจำนวนมากเข้าด้วยกัน ก็จะสร้างสถานะมากมายที่คิวบิตสามารถอยู่ได้ ซึ่งทำให้มีความสามารถในการคำนวณมากขึ้น คุณสมบัติพิเศษทั้งสองอย่างนี้ทำให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์มีพลังพิเศษในการแก้ปัญหาที่ยากที่สุดบางอย่างได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์แบบทั่วไปมาก
ประโยชน์ของควอนตัมคอมพิวเตอร์
ด้วยความสามารถในการประมวลผลข้อมูลมหาศาลในเวลาอันสั้น ควอนตัมคอมพิวเตอร์มีศักยภาพในการแก้ปัญหาที่ซับซ้อนมากมายที่คอมพิวเตอร์ปัจจุบันไม่สามารถทำได้ เช่น การพัฒนายาใหม่ การสร้างวัสดุใหม่ การพยากรณ์สภาพอากาศที่แม่นยำยิ่งขึ้น และการพัฒนาปัญญาประดิษฐ์ที่ฉลาดกว่าเดิม
ชิปควอนตัมถูกสร้างได้อย่างไร?
ชิปควอนตัมถูกผลิตขึ้นแตกต่างจากชิปของคอมพิวเตอร์ที่ใช้กันอยู่ทั่วไป Google ต้องผลิตคิวบิตโดยใช้วงจรตัวนำยิ่งยวด โดยการสร้างรูปแบบโลหะตัวนำยิ่งยวดด้วยวิธีใหม่ วงจรนี้มีค่าความจุ (Capacitance) หรือความสามารถในการเก็บพลังงานในสนามไฟฟ้า และความเหนี่ยวนำ (Inductance) หรือความสามารถในการเก็บพลังงานในสนามแม่เหล็ก ร่วมกับองค์ประกอบที่ไม่เป็นเชิงเส้นพิเศษที่เรียกว่า (Josephson junctions) ด้วยการเลือกวัสดุและการปรับตั้งค่าในกระบวนการผลิตอย่างระมัดระวัง Google สามารถสร้างชิปที่มีคิวบิตคุณภาพสูงที่สามารถควบคุมและรวมเข้ากับอุปกรณ์ขนาดใหญ่ที่ซับซ้อนได้
การสร้างบรรจุภัณฑ์เพื่อปกป้องควอนตัมคอมพิวเตอร์จากการถูกรบกวน
ถึงควอนตัมคอมพิวเตอร์จะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมมาก แต่ก็มีความเสี่ยงสูงที่จะเกิดข้อผิดพลาดจาก “สัญญาณรบกวน” หรือสิ่งรบกวนต่างๆ เช่น คลื่นวิทยุ สนามแม่เหล็กไฟฟ้า และความร้อน หรือแม้แต่รังสีคอสมิก ดังนั้นเพื่อปกป้องความสมบูรณ์ของกระบวนการประมวลผลควอนตัม จึงต้องสร้างบรรจุภัณฑ์พิเศษเพื่อลดสัญญาณรบกวนเหล่านี้ เปรียบได้กับการสร้างสตูดิโอบันทึกเสียง เพื่อบรรลุเป้าหมายนี้จะต้องใช้การทำงานด้านวิศวกรรมเครื่องกลและแม่เหล็กไฟฟ้าที่ซับซ้อนและครอบคลุม รวมถึงต้องให้ความสำคัญกับรายละเอียดต่างๆ เช่น การเลือกวัสดุที่เหมาะสมหรือตำแหน่งเฉพาะในการเจาะรูสำหรับวงจรไฟฟ้า
ควอนตัมคอมพิวเตอร์กับความเย็นที่เย็นที่สุดในจักรวาล
การใช้งานคิวบิตตัวนำยิ่งยวดนั้น จำเป็นต้องรักษาคิวบิตไว้ที่อุณหภูมิต่ำมาก ซึ่งเย็นกว่าอวกาศเสียอีก จึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์พิเศษที่เรียกว่าตู้เย็นเจือจาง (Dilution fridge) ตู้เย็นนี้จะทำให้โลหะตัวนำยิ่งยวดสามารถเข้าสู่สถานะความต้านทานเป็นศูนย์ ซึ่งเป็นสถานะเยือกแข็งที่ไฟฟ้าสามารถไหลได้โดยไม่สูญเสียพลังงาน และสามารถลดสิ่งที่ไม่ต้องการ เช่น สัญญาณรบกวนจากความร้อนได้ ด้วยวิธีนี้ คิวบิตตัวนำยิ่งยวดจะสามารถรักษาคุณสมบัติควอนตัมของมันไว้ได้ และดำเนินการคำนวณที่ซับซ้อนสำหรับการคำนวณแบบควอนตัมได้
การแก้ไขข้อผิดพลาดของควอนตัมคอมพิวเตอร์
ทำให้ยากต่อการปกป้องข้อมูลที่จำเป็นในการประมวลผล ความเชื่อเดิมยิ่งใช้คิวบิตมากขึ้น ข้อผิดพลาดก็จะยิ่งเกิดขึ้นมากขึ้น แต่ในงานวิจัยของ Google Quantum AI พบว่า ยิ่งใช้คิวบิตมากขึ้นใน Willow ก็จะยิ่ง “ลดข้อผิดพลาด” ได้มากขึ้น และระบบก็จะยิ่งเป็นควอนตัมมากขึ้น
งานวิจัยได้ทดสอบอาร์เรย์ของคิวบิตทางกายภาพที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ โดยขยายจากกริดคิวบิตที่เข้ารหัส 3×3 เป็นกริด 5×5 และกริด 7×7 และทุกครั้งสามารถลดอัตราข้อผิดพลาดลงได้ครึ่งหนึ่ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ได้ว่าประสบความสำเร็จในการลดอัตราข้อผิดพลาดแบบทวีคูณ ความสำเร็จทางประวัติศาสตร์นี้เป็นที่รู้จักในสาขานี้ว่า “ต่ำกว่าเกณฑ์” (Below threshold) ซึ่งก็คือการลดข้อผิดพลาดลงในขณะที่ขยายจำนวนคิวบิตให้มากขึ้น
ผลลัพธ์นี้ยังเกี่ยวข้องกับ “ความสำเร็จครั้งแรก” ทางวิทยาศาสตร์อื่นๆ อีกด้วย เช่น การแก้ไขข้อผิดพลาดแบบเรียลไทม์บนระบบควอนตัมซุปเปอร์คอนดักติ้ง ซึ่งมีความสำคัญต่อการคำนวณมากๆ เพราะหากไม่สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดได้ไม่เร็วพอ ข้อผิดพลาดเหล่านั้นจะทำลายการคำนวณก่อนที่จะเสร็จสิ้น และนี่คือการสาธิตที่ “เกินจุดคุ้มทุน” โดยที่อาร์เรย์คิวบิตของเรามีอายุการใช้งานยาวนานกว่าคิวบิตทางกายภาพแต่ละตัว ซึ่งเป็นสัญญาณที่ชัดเจนว่าการแก้ไขข้อผิดพลาดกำลังปรับปรุงระบบโดยรวม
เนื่องจากเป็นระบบแรกที่แก้ปัญหาเหล่านี้ได้ จึงถือเป็นต้นแบบที่น่าเชื่อถือที่สุดสำหรับคิวบิตเชิงตรรกะที่ปรับขนาดได้ที่ถูกสร้างขึ้น ถือเป็นสัญญาณที่ชัดเจนว่าดราสามารถสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ที่ใช้ได้จริง และ ชิป Willow จะพาเราเข้าใกล้การรันอัลกอริทึมที่ไม่สามารถรันได้คอมพิวเตอร์ทั่วไป
ประสิทธิภาพของชิป Willow
การพิจารณาประสิทธิภาพของควนตัมคอมพิวเตอร์จะใช้เกณฑ์มาตรฐานวงจรแบบสุ่ม (Random Circuit Switching: RCS) ที่เป็นเกณฑ์มาตรฐานที่ยากที่สุดสำหรับคอมพิวเตอร์แบบทั่วไป แต่ประสิทธิภาพของ Willow ในการทดสอบนี้ถือว่าน่าทึ่งมาก โดยสามารถคำนวณได้ภายในเวลาไม่ถึง 5 นาที ซึ่งเท่ากับว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในปัจจุบันใช้เวลาคำนวณ 10,000,000,000,000,000,000,000,000 ปี ซึ่งเป็นระยะเวลาที่นานกว่าอายุของจักรวาลเสียอีก
กราฟนี้แสดงถึงพิจารณาถึงสถานการณ์ต่าง ๆ ในการใช้ควอนตัมคอมพิวเตอร์ในการคำนวณ ตั้งแต่สถานการณ์ในอุดมคติที่มีหน่วยความจำไม่จำกัด (▲) ไปจนถึงการใช้งานแบบขนานที่ง่ายต่อการใช้งานบน GPU (⬤)
มาตรฐานวงจรแบบสุ่ม (Random Circuit Switching: RCS) คืออะไร
การประเมินประสิทธิภาพ (Random Circuit Switching: RCS) เกิดขึ้นครั้งแรกในปี 2019 และกลายเป็นมาตรฐานชั้นนำในการประเมินความก้าวหน้าของคอมพิวเตอร์ควอนตัม แนวทางนี้นำเสนอภารกิจการคำนวณที่เชื่อกันว่ายากเกินไปสำหรับซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งในการแสดงให้เห็นถึงความสามารถที่เหนือกว่าของควอนตัมคอมพิวเตอร์
RCS ให้การประเมินที่ครอบคลุมของปริมาตรวงจรควอนตัมของอุปกรณ์ โดยค่าที่สูงขึ้นบ่งชี้ว่าคอมพิวเตอร์มีประสิทธิภาพมากขึ้น กลุ่มวิจัยใช้ประโยชน์จากเกณฑ์มาตรฐานนี้เพื่อระบุว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจแซงหน้าซูเปอร์คอมพิวเตอร์คลาสสิกได้ในจุดใด แม้จะมีสัญญาณรบกวนก็ตาม
การตรวจสอบความเที่ยงตรงของ RCS
ผลลัพธ์เฉพาะของการประเมินประสิทธิภาพ RCS คือการประมาณค่าความเที่ยงตรง ซึ่งเป็นตัวเลขระหว่าง 0 ถึง 1 ที่ใช้ระบุว่าโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่มีสัญญาณรบกวนนั้นใกล้เคียงกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ปราศจากสัญญาณรบกวนในอุดมคติมากเพียงใด
ค่าความเที่ยงตรงจะได้รับการตรวจสอบโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า patch cross-entropy benchmarking (XEB) สำหรับวงจรขนาดใหญ่ วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการแบ่งโปรเซสเซอร์ควอนตัมทั้งหมดออกเป็น “แพทช์” (Patch) ที่เล็กกว่า และคำนวณความเที่ยงตรงของ XEB สำหรับแพทช์แต่ละอัน ซึ่งเป็นงานที่เป็นไปได้ในการคำนวณ โดยการคูณความเที่ยงตรงของแพทช์เหล่านี้ จะทำให้ได้ค่าประมาณความเที่ยงตรงโดยรวมของวงจรทั้งหมด
จากภาพนี้ เส้นทึบแสดงถึงความเที่ยงตรงของ XEB โดยประมาณตามแบบจำลองข้อผิดพลาดแบบดิจิทัล ซึ่งจับลักษณะของสัญญาณรบกวนของโปรเซสเซอร์ควอนตัม
การทำงานที่ล้ำสมัยของชิป Willow
ชิปควอนตันประกอบด้วยหลายส่วน เช่น เกตคิวบิตเดี่ยวและสองคิวบิต การรีเซ็ตคิวบิต และการอ่านค่า จะต้องได้รับการออกแบบและบูรณาการอย่างดีในเวลาเดียวกัน หากส่วนประกอบใดส่วนประกอบหนึ่งทำงานช้าหรือทำงานร่วมกันได้ไม่ดี ประสิทธิภาพของระบบจะลดลง
การผลิตคิวบิตจำนวนมากขึ้นเพียงอย่างเดียวไม่ได้ช่วยอะไรเลยหากคิวบิตเหล่านั้นไม่มีคุณภาพสูงเพียงพอ ด้วยคิวบิต 105 ตัว ชิป Willow จึงมีประสิทธิภาพที่ดีที่สุด ซึ่งการแก้ไขข้อผิดพลาดเชิงควอนตัมและการสุ่มวงจรแบบสุ่ม ตัวชี้วัดประสิทธิภาพของชิปอีกตัวหนึ่งคือ T1 ซึ่งคือระยะเวลาที่ควิบิตสามารถรักษาการกระตุ้นไว้ได้ ซึ่งเป็นทรัพยากรการคำนวณควอนตัมหลัก ตอนนี้ ชิป Willow สามารถทำเวลาได้เข้าใกล้ 100 ไมโครวินาทีแล้ว ดีขึ้นถึง 5 เท่าเมื่อเทียบกับชิปรุ่นก่อนหน้านี้
ก้าวต่อไปของ Willow ชิปควอนตัม
ความท้าทายต่อไปสำหรับ Quantum computer คือการคำนวณ “ที่มีประโยชน์และเหนือกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก” ซึ่งมีความเกี่ยวข้องกับการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง Googlr เชื่อมั่นว่าชิปรุ่น Willow จะช่วยให้บรรลุเป้าหมายนี้ได้ จนถึงขณะนี้ มีการทดลองแยกกันสองประเภท
- ประการแรก ทำการทดสอบประสิทธิภาพ RCS ซึ่งวัดประสิทธิภาพเทียบกับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก แต่ยังไม่มีการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง
- ประการที่สอง จำลองระบบควอนตัมที่น่าสนใจทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งนำไปสู่การค้นพบทางวิทยาศาสตร์ใหม่ๆ แต่ยังคงอยู่ในขอบเขตของคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก
เป้าหมายของ Google คือการทำทั้งสองอย่างในเวลาเดียวกัน เพื่อก้าวเข้าสู่ขอบเขตของอัลกอริทึมที่อยู่นอกเหนือขอบเขตของคอมพิวเตอร์แบบทั่วไปและมีประโยชน์สำหรับปัญหาในโลกแห่งความเป็นจริง
อ้างอิง blog.google blog.google และ cover blog.google
อ่านบทความและข่าวอื่นๆเพิ่มเติมได้ที่ it24hrs.com
ชิป Willow ชิปควอนตัมจาก Google ที่เร็วกว่า Supercomputer 50 ล้านล้านล้านล้านล้านล้านเท่า
อย่าลืมกดติดตามอัพเดตข่าวสาร ทิปเทคนิคดีๆกันนะคะ Please follow us
Youtube it24hrs
Twitter it24hrs
Tiktok it24hrs
facebook it24hrs
