การแก้ปัญหาในระดับใหญ่ด้วยควอนตั้มคอมพิวเตอร์ที่ใช้Cryo-chip

            ในปัจจุบันที่เทคโนโลยีนั้น อะไรๆก็จะมีแต่ควอนตั้ม ถ้ายังนึกภาพไม่ออกลองนึกถึง คอมพิวเตอร์ธรรมดาที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้กว่าจะเปิด กว่าจะบู๊ต กว่าจะได้ใช้รอเวลาไปก็หลายนาทีอยู่สำหรับเจ้าคอมพิวเตอร์ธรรมดา แต่ในทางตรงกันข้ามนั้น ถ้าเป็นควอนตั้มคอมพิวเตอร์ละจะแตกต่างกันไหม แน่นอนเมื่อไม่นานมานี้ถ้าทุกคนได้ตามข่าวสารเกี่ยวกับวงการเทคโนโลยี เจ้าพ่อยักษ์ใหญ่อย่าง Google ที่เป็น search engine ที่เราใช้ในการค้นหาข้อมูล และ IBM บริษัทยักษ์ใหญ่เกี่ยวกับทางด้านคอมพิวเตอร์ ได้ศึกษาและทำการวิจัยค้นคว้าเกี่ยวกับ เจ้าควอนตั้มคอมพิวเตอร์ซึ่งจะมีการประมวลผลข้อมูลที่รวดเร็วและไวที่สุด บางคนอาจจะยังสงสัยเร็วยังไง ซึ่งสมมุตติได้ว่า เพียงเราแค่เปิดเครื่องควอนตั้มคอมพิวเตอร์ไม่เพียงแค่กี่วินาที ควอนตั้มคอมพิวเตอร์เราพร้อมที่จะใช้งานได้เลยโดยที่ไม่ต้องรอเวลานานจนเกินไป รวมถึงเจ้าควอนตั้มนี้ยังนำไปปรับใช้ในชีวิตประจำวันในอนาคตข้างหน้า ไม่ว่าจะเป็นการป้อนและสั่งคำสั่งจากคอมพิวเตอร์ไปยังเจ้าตัวเครื่องเซริ์ฟเวอร์นั้นที่รวดเร็วมากยิ่งขึ้น รวมทั้งทางด้านเคมี และ การแพทย์ ที่อาจจะนำเทคโนโลยีควอนตั้มนั้นมาใช้ในอนาคตข้างหน้า ไม่ว่าจะเป็น การสร้างแบบจำลองทางเคมี เพื่อศึกษาดูโครงสร้างของโมเลกุลในแต่ละอะตอมของยาชนิดนั้น ก่อนที่จะนำส่วนผสมทางเคมีไปทำเป็นยาอีกที เพื่อลดการผิดพลาดจากการทำทดลองได้ลงไปอีก เทคโนโลยีทางควอนตั้มนั้นต่อไปนี้จะเป็นเรื่องที่ใกล้ตัวเรามากขึ้นไปอีกในอนาคตข้างหน้า ซึ่งในส่วนเอเชียของเรานั้นได้มีทำการศึกษาและวิจัยทางด้านควอนตั้มคอมพิวเตอร์เกิดขึ้นอยู่ จะมีดั่งเช่น จีนที่ร่วมกันกับGoogle ทำควอนตั้มคอมพิวเตอร์ให้มีการประมวลผล และ เกิดข้อผิดพลาดในการคำนวณนั้นให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น หรือพูดตามหลักง่ายๆเลยว่า เทคโนโลยีควอนตั้มนั้นเป็นเทคโนโลยีอนาคตที่จะสามารถเกิดขึ้นได้จริงในอนาคต และ สามารถนำไปต่อยอดปรับใช้เพื่อแก้ปัญหาให้กับมนุษย์ให้มีความสะดวกสบายยิ่งขึ้น


          เมื่อไม่นานมานี้เทคโนโลยีควอนตั้มคอมพิวเตอร์ได้มีการออกแบบและทดลองชิพ ที่เราเรียกว่า Cryo-chip ซึ่งเป็นชิพที่อาศัยหลักการทำงานควอนตั้มเพื่อมาช่วยในการแก้ปัญหาในรูปแบบของปัญหาที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งQu Tech นั้นทำการแก้ปัญหาที่มีขนาดใหญ่โดยใช้หลักการจากควอนตั้มคอมพิวเตอร์ ซึ่งจะเป็นการร่วมมือกันระหว่าง TU Delft เป็นมหาลัยที่ขึ้นชื่อ เรื่องเทคโนโลยีที่ล้ำสมัยมากที่สุด และ โด่งดังมาจาก การแข่งขันHyperloop pod competition 2019 และได้รางวัลทางด้านตัว pod ที่วิ่งเร็ว กับมหาลัย TNO และ ที่เรารู้จักกันดีในด้านวงการคอมพิวเตอร์ เช่น intel ซึ่งเป็นการร่วมมือระหว่าง4หน่วยงานได้ทำการออกแบบและปรับปรุงบอร์ดที่สามารถควบคุมคิวบิตให้มีสถานะที่อุณหภูมิต่ำ ๆ หนึ่งในส่วนสำคัญการรวมกันระหว่างคิวบิตและการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ในชิพเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ได้มีการนำเสนองานวิจัยquantum computer chip ใน ISSC Conference ใน San Francisco


          ต่อมาในส่วนทางด้านควอนตั้มคอมพิวเตอร์ซึ่งการศึกษาและวิจัยทางด้านCycro-chipนั้นจะเป็นทางออกสำหรับควอนตั้มคอมพิวเตอร์ที่มีขนาดใหญ่ที่ซึ่งจะสามารถแก้ปัญหาที่มีความสลับซับซ้อนและยากได้ให้มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ ซึ่งนำมาสู่ผลลัพธ์จากการแก้ปัญหาเหล่านั้นที่เกิดขึ้นในชีวิตประจำวันเช่น ในสายงานทางด้านพลังงานและทางการแพทย์เป็นต้น จาก Fabio Sebastiano หนึ่งในทีมวิจัยหลัก จาก QuTech และ Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science


          ซึ่งในส่วนนี้จะเป็นในส่วนของอุณหภูมิ ซึ่งก่อนหน้านี้มีหลากหลายปัญหาที่เกิดขึ้นระหว่างการทดลองก่อนที่เราจะมาใช้ ควอนตั้มคอมพิวเตอร์ที่มีสเกลขนาดใหญ่ขึ้น Sebastiano quantum information ที่มีความสามารถบรรจุหน่วยความจำนั้นลดลงอย่างรวดเร็วภายในคิวบิต และ กลับกลายเป็นว่าไม่สามารถนำคิวบิตนั้นมาใช้งานควบคุมอุณหภูมิได้ เว้นแต่ว่า อุณหภูมิของคิวบิตนั้นจะต้องคูลดาวน์ไปจนถึงอุณหภูมิที่ใกล้เคียง0หรือ -273 ดีกรีเซลเซียส หรือ 0 เคลวิน ด้วยเหตุผลนี้ทำไม คิวบิตนั้นมีความสามารถพิเศษตรงที่ควบคุมอุณหภูมิให้มีค่าอยู่ที่ 0.01 เคลวิน โดยที่แผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์นั้นยังสามารถทำงานอยู่ได้ในระดับอยู่ที่อุณหภูมิห้องโดยที่มันไม่พังหรือชำรุดเสียหาย แม้แต่นิดเดียว พอมาถึงตอนนี้แล้วทุกคนอาจจะสงสัยว่า คิวบิต คืออะไรกันแน่ มันมีมีความสำคัญยังไงกับควอนตั้ม เรามาติดตามอ่านกันต่อได้เลย ณบัดนี้ คิวบิต(Qubit) หรือ ชื่อเต็มเรียกว่า ควอนตั้มบิต(Quantum bit) และถูกมาเรียกอย่างง่ายๆว่า Qbit หรือ Qubit เป็นหน่วยประมวลผลที่เล็กที่สุดโดยใช้หลักการทางควอนตั้มแบบดั้งเดิมคือ ถ้าเกิดการสปินอิเล็กตรอนขึ้น จะแทนด้วย 1 หรือในทางตรงกันข้ามเกิดการสปินอิเล็กตรอนจะแทนด้วย 0 ในแบบดั้งเดิมที่เราใช้คอมพิวเตอร์อยู่ในปัจจุบันจะแทนหน่วยประมวลผล เรียกว่า Byte จะมีค่า ไม่ 0 ก็ 1 ในระบบเลขฐานสอง แต่ คิวบิต(Qubit)นั้นจะสามารถเกิดได้ทั้ง 0 และ 1 พร้อมๆกัน ซึ่งในลักษณะนี้เราจะเรียกปรากฎการณ์นี้ว่า การเกิดสภาวะทับซ้อนกัน(Superposition State)ของระบบนั้นเอง           หลังจากที่เราได้ไปรู้มาแล้วว่า คิวบิตนั้นคือไร จะมาต่อที่ในส่วนของ การเพิ่มขนาดของสเกล อยากจะให้ลองนึกภาพที่ว่าเส้นใยประสาทเรานั้นจะมีหลายๆล้านเซลล์เชื่อมต่อกันเพื่อให้เกิดการทำงานร่วมกัน สั่งการได้ คิวบิตก็เหมือนกันจะมีสายไฟในแต่ละจุดเพื่อเชื่อมต่อกันที่ใช้ควบคุมแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งในขณะที่จำนวนเล็กๆของคิวบิตนั้นมีความเป็นไปได้ที่อาจจะเกิดการกระทำระหว่างคิวบิตแต่ละคิวบิตจะไม่สามารถทำให้เกิดประสิทธิภาพการทำงานที่มีความจำเป็นต่อการคำนวณทางควอนตั้มคอมพิวเตอร์ คล้ายกันกับว่าเรามีกล้องถ่ายรูปอันนึงที่มีความละเอียดที่ 12 เมกะพิซเซลบนมือถือ แต่เรานั้นจะพยายามแยกเส้นสายของแต่ละล้านๆพิซเซล หมายถึง 1พิกเซล อาจจะมีจำนวนเล็กๆเป็นล้านๆซึ่งจะรวมกันทำให้เกิด1พิกเซล เปรียบเทียบที่ว่า ใน1คิวบิตจะพยายามแยกจำนวนเล็กๆที่ซ่อนอย่ใน1คิวบิตนั้นมีจำนวนเท่าไหร่ ออกจากแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ Sebastiano กล่าว และยิ่งไปกว่านั้นผลที่ได้จากการทดลองควบคุมแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์นั้นจะทำให้คิวบิตมีอุณหภูมิต่ำมากๆ ใกล้เคียงกับจุดเยือกแข็งได้


          QuTech ร่วมงานกับ intelได้พัฒนาและคิดค้นสิ่งที่มีชื่อว่า อานม้า (Horse Ridge) เป็นชื่อแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ทางทีมวิจัยได้ทำการออกแบบและคิดค้น ซีมอส(CMOS) ที่จะช่วยสามารถควบคุมคิวบิตทั้งหมด128คิวบิต และ สามารถควบคุมอุณหภูมิให้ต่ำลงได้อยู่ที่ 3เคลวิน หรือ -270 องศาเซลเซียส และ ทางทีมวิจัยนั้นได้ให้ชื่อเจ้าแผงวงจรนี้ว่า cryo-Cmos แล้วเจ้า ชิปซีมอสที่ว่า มันคืออะไร ทำไมถึงมีความสำคัญขนาดนี้ เราจะมาเรียนรู้กัน ซีมอส(Cmos) ย่อมาจาก Complementary Metal Oxide semiconductor เป็นไอซีชิบที่ทำมาจาก สารกึ่งตัวนำ ใช้ทำหน้าที่เก็บข้อมูลที่เป็นค่าเฉพาะที่เกิดขึ้นในแต่ละระบบจากนั้น ระบบที่ทำการเก็บข้อมูลไว้แล้วจะทำหน้าที่ Bios(ไบออส)นำไปใช้ในการทำหน้าที่บู๊ตระบบให้เกิดขึ้นภายในวงจรที่ได้รับการออกแบบเอาไว้ ซึ่งข้อมูลที่เก็บไว้อาจจะเป็นในรูปแบบ เวลา วันที่ของระบบ ค่าของฮาร์ดดิส ซึ่งเจ้าตัวซีมอสนี้จะถูกคิดค้นให้มีความเสถียรมากที่สุดให้เหมาะกับวงจรที่ใช้ในการออกแบบความซับซ้อนซึ่งอาจจะประกอบไปด้วยล้านๆส่วนของแผงวงจรไฟฟ้า ที่เหมาะสำหรับการนำมาปรับใช้ในควอนตั้มคอมพิวเตอร์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น           วงจรไฟฟ้าและคิวบิต นักวิจัยได้ทำการแสดงและสาธิตการทดลองที่มีความเหมาะสมกับการทำงานที่ควบคู่ไปด้วยกันกับวงจรไฟฟ้าและใช้ในการขับเคลื่อนสปินของคิวบิต สปินคิวบิตนั้นจึงได้ถูกนำมาใช้ในการสร้างและออกแบบควอนตั้มคอมพิวเตอร์ที่มีขนาดใหญ่ได้ Sebastinoได้กล่าวอีกไว้ว่า สิ่งนี้จะเป็นการสาธิตความสลับซับซ้อนของ cyro-Cmos และ การขับเคลื่อนของการสปินคิวบิตไปด้วยกัน และในสุดท้ายนี้สิ่งที่ได้กล่าวมาทั้งหมดตั้งแต่ ควอนตั้มคอมพิวเตอร์นั้น จนถึง แผงวงจร และ การสปิน จะรวมเป็นหนึ่งเดียวนั่นคือ ชิป1อัน ซึ่งในทางทีมวิจัยได้กล่าวไว้ว่า เป็นความท้าทายอันนึงที่จะทำให้ช่องว่างระหว่างอุณหภูมินั้นมีความใกล้เคียงกันมากที่สุด โดยที่คาดหวังไว้ว่าการสปินคิวบิตนั้นจะมีฟังก์ชั่นหนึ่งที่จะทำให้อุณหภูมินั้นค่อยๆเพิ่มขึ้นอย่างช้าทุกๆ1.5เคลวิน Sebastianoยังได้กล่าวทิ้งท้ายไว้อีกว่า cyro-Cmosของพวกเรานั้นสามารถทำงานได้ทีอุณหภูมิ3เคลวิน แต่ถ้าพวกเราสามารถออกแบบและสร้างสะพานให้เชื่อมกันระหว่างช่องว่างของอุณหภูมิ พวกเรานั้นจะสามารถรวมเข้ากันกับระหว่างคิวบิตและการควบคุมวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในระบบภายในได้อีกด้วย ต่อไปในอนาคตเทคโนโลยีควอนตั้มจะอยู่รอบๆตัวเราไม่ห่างไกลจากความเป็นจริงแน่นอน

 

อ้างอิง

• https://phys.org/news/2020-02-cryo-chip-obstacle-large-scale-quantum.html
• https://jqi.umd.edu/glossary/qubit
• https://techterms.com/definition/cmos
• https://www.ibtimes.co.uk/google-makes-quantum-computing-breakthrough-qubit-correction-system-1490596