ควอนตัมคอมพิวเตอร์ (Quantum computer)

ที่มาของคอมพิวเตอร์

                ในช่วงทศวรรศที่ 1830 ชาร์ลส์ แบบเบจ (Charles Babbage) ได้ศึกษาการทำเครื่องวิเคราะห์ เพื่อสร้างเป็นเครื่องจักรที่สามารถรองรับการคำนวณทุกชนิด แม้ว่าจะสร้างไม่สำเร็จ แต่ทฤษฏีและการออกแบบเครื่องคำนวณของเขา ก็ได้รับการยอมรับว่าเป็นต้นแบบของเครื่องคอมพิวเตอร์ในเวลาต่อมา

                ในปี 1936 อลัน ทูริ่ง (Alan Turing) เปลี่ยนแนวคิดของแบบเบจ ให้กลายเป็นทฤษฎีพื้นฐานของการประมวลผลข้อมูลที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ และสร้างคอมพิวเตอร์ขึ้นแบบอิเล็กทรอนิกส์เครื่องแรกของโลก ทำงานโดยพื้นฐานของเลขฐานสองคือ 0 และ 1 โดยอาศัยหลอดสุญญากาศเป็นสื่อแทนค่า

                ในทศวรรษที่ 1960 หลอดสุญญากาศก็ถูกแทนที่ด้วย ทรานซิสเตอร์ (Transistor) ที่ทำมาจากสารกึ่งตัวนำ ทำหน้าที่เปิดปิดสัญญาณไฟฟ้า แทนการเปิดปิดของหลอดสุญญากาศ โดยทรานซิสเตอร์มีข้อดีกว่าคือ ขนาดเล็กกว่า และทำให้เกิดความร้อนจากการใช้งานน้อยกว่าหลอดสุญญากาศ

                ต่อมาไม่นานในทศวรรษที่ 1970 ก็มีการรวมทรานซิสเตอร์หลายๆตัว อยู่ในวงจรที่มีขนาดเล็กลง ทำให้เกิดเป็น ไมโครโปรเซสเซอร์ (Microprocessor) โดยมีไมโครโปรเซสเซอร์ที่ออกมาครั้งแรกคือ  Intel 4004 ของ Intel, TMS 1000 ของ Texas Instrument, Central Air Data Computer ของ Garrett AiResearch

                ในปี 1994 ปีเตอร์ ชอร์ (Peter Shor) ได้ค้นพบทฤษฏีใหม่ โดยใช้ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมที่ศึกษาถึงคุณสมบัติของสิ่งที่เล็กกว่าอะตอม มาประยุกต์ใช้ในการแก้ปัญหาเชิงคณิตศาสตร์ที่เป็นหัวใจของเครื่องคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน การค้นพบนี้เป็นการจุดประกายที่ทำให้มีการรวมเอาศาสตร์ทางด้านฟิสิกส์และวิทยาการคอมพิวเตอร์เข้าด้วยกัน เกิดเป็นศาสตร์แขนงใหม่ที่เรียกว่า “ควอนตัมคอมพิวเตอร์”

ควอนตัมคอมพิวเตอร์

                คือเครื่องมือในการประมวลผลที่ใช้คุณสมบัติทางกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อใช้ในการทำงานกับข้อมูลต่างๆ โดย  อาศัยคุณสมบัติเชิงแม่เหล็กของการหมุนอิเล็กตรอนที่ไม่ใช่การหมุนตามปกติ หรือที่เรียกว่าสปิน(Spin) โดยอิเล็กตรอนจะมีสปิน +1/2 (spin up) และ -1/2 (spin down) โดยที่การเปลี่ยนแปลงกลับไปกลับมาระหว่างสปิน 2 แบบนี้ สามารถนำไปใช้กับระบบการทำงานแบบดิจิตอลหรือระบบเลขฐาน 2 ซึ่งเป็นระบบพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน โดยใช้สปิน +1/2 แทนที่ 1 และใช้สปิน -1/2 แทนที่ 0 ซึ่งคุณสมบัติดังกล่าวนี้เอง ทำให้นำไปสู่การพัฒนาระบบคอมพิวเตอร์ที่มีหน่วยพื้นฐานรูปแบบใหม่ที่เรียกว่า “ควอนตัมคอมพิวเตอร์”

                ในระบบคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันนี้ มีหน่วยพื้นฐานของข้อมูลที่เรียกว่า บิท (bit) ซึ่ง 1 บิท จะแสดงสถานะเพียงสถานะเดียวในระบบเลขฐานสองคือ 1 หรือ 0 เท่านั้น แต่หน่วยพื้นฐานของข้อมูลระบบควอนตัมคอมพิวเตอร์นั้นเรียกว่า คิวบิท (qubit) ซึ่ง 1 คิวบิทนั้น เป็นไปตามคุณสมบัติของการหมุนของอิเล็กตรอนที่ไม่แน่นอนตายตัว ทำให้ในคิวบิทเดียวกันนั้น อาจมีสถานะเป็นไปได้ทั้ง 1 และ 0 ในเวลาเดียวกัน ซึ่งนักฟิสิกส์เรียกสภาวะดังกล่าวว่า ซุปเปอร์โพสิชัน  (Superposition) ทำให้แต่ละการทำงานของคิวบิท สามารถทำงานได้เร็วกว่า 2ⁿ เท่าของบิทระบบคอมพิวเตอร์ธรรมดาในปัจจุบัน (n คือจำนวนบิท) เช่น สมมติว่าใช้

คอมพิวเตอร์ที่มีขนาดสองบิท และควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่มีขนาด 2 คิวบิท ในการประมวลผลโจทย์เดียวกัน จะพบว่า ควอนตัมคอมพิวเตอร์ สามารถประมวลผลทั้งสี่คำตอบ (“0,0” “0,1” “1,0” “1,1”) ได้ โดยใช้การประมวลผล เพียงครั้งเดียว ในขณะที่คอมพิวเตอร์ธรรมดา ต้องใช้การประมวลผลถึงสี่ครั้ง จึงจะได้คำตอบทั้งสี่อย่างครบถ้วน

                นอกจากนี้ คิวบิต ยังสามารถเชื่อมต่อกัน หลายๆ หน่วย โดยที่สภาวะ ของคิวบิตแต่ละหน่วย ยังสามารถส่งผล  และมีความเกี่ยวโยงกับคิวบิตหน่วยอื่นๆ ได้ด้วย ซึ่งเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า เอนแทงเกิลเมนต์ (Entanglement) เช่น หากคิวบิทหนึ่ง มีการ spin up จะส่งผลให้อีกคิวบิทหนึ่งมีการ spin down

ประโยชน์ของควอนตัมคอมพิวเตอร์

1.       Quantum Dense Code / Teleportation

สามารถลดระยะเวลาในการส่งผ่านข้อมูล เนื่องจาก 1 คิวบิท สามารถมีได้ทั้ง 2 สถานะ จึงสามารถย่อข้อมูล จาก 2 บิท ให้เหลือเพียง 1 คิวบิทได้ ทำให้การส่งข้อมูลมีความรวดเร็วมากขึ้น เพิ่มขีดความสามารถของคอมพิวเตอร์ให้สูงขึ้น

2.       Quantum Cryptography รหัสลับเชิงควอนตัม

ในแง่ของความปลอดภัยในการส่งผ่านข้อมูล ควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถโจมตีกุญแจการเข้ารหัสสาธารณะ (Public Key) ที่ทำหน้าที่ปกป้องอีเมล ปกป้องข้อมูลรหัสผ่าน ปกป้องข้อมูลบัญชีธนาคารหรืออื่นๆ ทำให้มาตรการรักษาความปลอดภัยของข้อมูลเหล่านี้ล้มเหลว อย่างไรก็ตาม ด้วยกลวิธีเดียวกัน เราสามารถสร้างกุญแจการเข้ารหัสที่ไม่สามารถแก้ได้โดยวิทยาการควอนตัมคอมพิวเตอร์ได้เช่นเดียวกัน ซึ่งเรียกเทคโนโลยีใหม่นี้ว่า Quantum Cryptography ซึ่งสามารถตรวจจับเมื่อมีบุคคลที่สามเข้ามารบกวนหรือแทรกแซงการส่งข้อมูลได้ 100% เพื่อเป็นการปกป้องการขโมยข้อมูลได้

ตัวอย่างการใช้งาน

                เนื่องมาจากเทคโนโลยีควอนตัมคอมพิวเตอร์นี้กำลังอยู่ในช่วงวิจัยและพัฒนา ทำให้เทคโนโลยีนี้ยังไม่มีการใช้อย่างกว้างขวางมากนัก มีเพียงแต่การพัฒนาเพื่อใช้ในการศึกษาขององค์กรหรือการใช้งานของบริษัทที่มีขนาดใหญ่โดยเฉพาะ เนื่องจากเทคโนโลยีนี้ยังใช้เงินลงทุนที่สูง ตัวอย่างการใช้งานที่ได้ออกมาแล้วเช่น

                บริษัท D-Wave ได้มีการระดมเงินลงทุนจากผู้ร่วมธุรกิจไปกว่า 44 ล้านเหรียญสหรัฐใน 5 ปีที่ผ่านมา โดยให้บริษัท Rose เป็นผู้พัฒนาในการผลิต chip ที่มีจำนวนคิวบิทถึง 128 คิวบิท โดยทีม Google image recognition ได้ทำการสาธิตความสามารถในการสืบค้นจาก chip นี้ ที่สามารถแยกความแตกต่างของวัตถุในจำนวนภาพถ่ายเป็นแสนๆภาพในเวลาเพียงไม่กี่วินาที

ควอนตัมคอมพิวเตอร์ในอนาคต
                ด้วยเทคโนโลยี Quantum Computer นี้ นักวิทยาศาตร์คาดการณ์ไว้ว่าในอีก 20 ปีข้างหน้า เราจะสามารถสั่งการสิ่งต่างๆรอบตัวได้ด้วยสมองโดยตรง โดยการใส่ headband ซึ่งรับส่งข้อมูลกับสมองได้ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์จินตนาการอีกว่า จะมี chip ปฎิบัติการอยู่ในบ้าน เฟอร์นิเจอร์ รถยนต์ และสาธารณูปโภคต่างๆทำให้ชีวิตเราสะดวกมากยิ่งขึ้น อีกทั้งจะทำให้สามารถติดต่อกันได้สะดวกโดยใช้เสียงเท่านั้น และอาจจะทำให้ไม่มีคีย์บอร์ดอีกต่อไป

นาย        ศุลี           พิเชฐสกุล               5202113014
นางสาว ศิโสภา    อุทิศสัมพันธ์กุล     5202115001