การเพิ่มประสิทธิภาพในวงจรควอนตั้ม

          ในยุคโลกาภิวัตน์ ตอนนี้เทคโนโลยีต่างๆมากมาย ได้พัฒนาอย่างก้าวกระโดดไปเป็นอย่างมาก จากสมัยก่อนคอมพิวเตอร์นั้นจะมีขนาดใหญ่เทียบเท่าโรงรถ และใช้การประมวลผลแบบแอนาล็อก หรือไม่ว่าจะเป็นการสื่อสารมวลชน เช่น โทรศัพท์จากที่เคยมีอยู่ที่บ้านโทรตู้ชนิดที่เรียกได้ว่า 2G ด้วยซ้ำ กลับกลายเป็นว่าตอนนี้ เรามี Smart Phone คนละเครื่องที่ทั้งสามารถ ถ่ายรูป ดูหนัง ฟังเพลง โทรเข้าโทรออก ได้อย่างครบครั้น แล้วมีการประมลผลที่ว่องไวมากกว่าแต่ก่อน  รวมถึงเทคโนโลยีทางด้านคอมพิวเตอร์ที่มีการประมวลผลได้ไวขึ้น แม่นยำขึ้น ซึ่งข่าวที่ผ่านมา IBM และ Google ได้พัฒนาควอนตั้มคอมพิวเตอร์ออกมา ซึ่งการประดิษฐ์ควอนตั้มคอมพิวเตอร์ออกเพื่อใช้ในการคำนวนหาความผิดพลาดในงานนั้นๆให้น้อยที่สุด และอีกทั้งในอนาคตข้างหน้าควอนตั้มคอมพิวเตอร์นั้นอาจจะนำไปใช้ในหลายๆวงการด้วยกัน ไม่ว่าจะเป็น ทางการแพทย์ในการวิเคราะห์โครงสร้างโมเลกุลของยา เพื่อใช้ในการพัฒนาตัวยานั้นให้มีประสิทธิภาพมากที่สุด แต่ในบทความนี้จะมาเกริ่นนำ ที่เรียกได้ว่า หัวใจหลักของการเกิดควอนตั้มคอมพิวเตอร์ก็ว่าได้นั่นคือ วงจรควอนตั้มนั้นเป็นอย่างไร ไปรับชมกันได้


          วงจรควอนตั้ม หรือ ที่เรียกว่า Quantum Circuits เป็นตัวต้นแบบหรือเรียกได้ว่าเป็นหัวใจหลักสำคัญ ในการคำนวณสำหรับทางควอนตั้มนั้น ซึ่งภายในจะประกอบไปด้วย ควอนตั้มเกต ที่มีจำพวกที่เรียกว่า วงจรไฟฟ้าสำหรับป้อนกระแส ขึ้น(1) และ ลง(0) ซึ่งอยากจะอธิบาย ณ ตรงนี้ไว้ก่อนว่า บางคนอาจจะสงสัยไม่ได้แตกต่างไรจาก classical computer แบบดั้งเดิม แต่ คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมนั้น เวลาประมวลผลออกมาเป็นตัวเลขฐานสองนั้น จะมีได้เพียงแค่อย่างเดียวเท่านั้น หมายถึง ไม่ 1(High) ก็ 0(Low)ไปเลย แต่ในทางตรงกันข้าม วงจรควอนตั้มนั้น จะเป็นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในระดับควอนตั้ม ไปมา โดยที่การประมวลผลออกมาเป็นตัวเลขนั้น สามารถออกมาได้แบบคู่กันได้เลย เช่น <00|01> ทำให้ลดระยะเวลาในการประมวลผลนั้นลดลง และมีความแม่นยำมากขึ้น ซึ่งจะเป็นการอธิบายการเกิดวงจรควอนตั้มนั้นเป็นมาอย่างไรกัน ซึ่งมีงานวิจัยชิ้นนึงที่ทำการพัฒนาประสิทธิภาพของวงจรควอนตั้มนั้น ซึ่งจะทำการเปรียบเทียบวงจรแบบควอนตั้มนี้ เหมือนกับบล็อกที่ต่อๆกันจนรวมเป็นส่วนหนึ่งของควอนตั้มคอมพิวเตอร์ ซึ่งจะเป็นการช่วยให้มีการประมวลผลที่รวดเร็วและแม่นยำขึ้น แต่อย่างไรก็ตามอาจจะมีความผิดพลาดในการคำนวณและการประมวลผลอยู่บ้าง ซึ่งเป็นสิ่งที่น่าสนใจในการพัฒนาประสิทธิภาพของวงจรแบบควอนตั้ม นั้นให้มีความผิดพลาดที่มาจากคำนวณให้ได้น้อยที่สุด นักวิจัยจากthe Indian Institute of Science (IISc) ได้ทำการวิจัยและคิดค้น จำนวนอัลกอริทึมของระบบ และ ทำการพัฒนาให้มีประสิทธิภาพสูงสุดในระบบ ซึ่งในงานวิจัยนี้จะได้ถูกตีพิมพ์ในวรสาร Physical Review Letters ซึ่งนักวิจัยได้ให้คำแนะนำเกี่ยวกับการปรับปรุงให้มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับวงจรควอนตั้ม


          การปรับปรุงประสิทธิภาพวงจรควอนตั้มนั้นจะเป็นประโยชน์ต่อการใช้ในสนามไฟฟ้าที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะการคำนวณทางควอนตั้ม ซึ่งจะไม่เพียงแค่ประมวลผลเร็ว และ แม่นยำเท่านั้น อีกทั้งยังจะต้องไม่ถูกโจรกรรมข้อมูลได้อีกด้วย ตัวอย่างเช่น การทำธุรกรรมทางการเงินของธนาคารที่เราใช้ในการ ถอนเงิน โอนเงิน จะสามารถปกป้องข้อมูลจากโจรได้ ซึ่งต่อไปการคำนวณทางควอนตั้มในวงจรนั้น จะสามารถนำไปใช้ได้กับการพัฒนาขนส่งมวลชน และ การจำลองสถานะทางการตลาด ในปัจจุบัน จนถึงอนาคตได้อีกด้วย ซึ่งก่อนหน้านี้การคำนวณวงจรแบบดั้งเดิมนั้น จะคำนวณวงจรแบบลอจิก ดั่งเช่น แนนเกต และ นอร์ เกต ซึ่งจะสามารถป้อนกระแสไฟเข้าและออกได้ ในบางคนอาจจะสงสัยอะไรคือ แนนเกต และ นอร์เกต ซึ่งสามารถอธิบายได้ดังต่อไปนี้ ลอจิกเกต เป็นการป้อนวงจรไฟฟ้าเข้าและจะมีกระแสไฟฟ้าออกจากตัววงจร ตัวอย่างเช่น น็อตเกต จะมีตรรกะความเป็นจริงก็คือ เมื่อป้อนกระแสไฟฟ้าเข้าไปเป็น 1(High) สิ่งที่ได้ออกมาจากเอ้าท์พุตจะได้ค่าที่เป็น0(Low) ต่อมา แนนเกตนั้นจะเป็นการผสมผสานระหว่าง วงจรแอนเกต ที่มีตรรกะความจริงคือ เมื่อป้อนวงจรไฟเข้าเป็น 1(High) และ 1(High) จะได้วงจรไฟออกอยู่ที่ 1(High) กับ วงจรน็อตเกตที่ได้กล่าวไปข้างต้น ซึ่งวงจรแอนเกตที่ได้จะมีตรรกะความเป็นจริงดังรูปแสดง รูปที่ 2 และ รูปที่ 3            ซึ่งแนนเกตนั้น จะมีตรรกะความเป็นจริงคือ 0(Low)ต่อเมื่อ ไฟเข้าที่วงจรนั้นจะต้องเป็น 1(High) และ 1(High)ด้วยกันทั้งคู่ แต่ในทางตรงกันข้าม นอร์เกต จะมีตรรกะความเป็นจริงคือ 1(High)ก็ต่อเมื่อ วงจรไฟเข้านั้นเป็น 0(Low) และ 0(Low) ด้วยกันทั้งคู่ ซึ่งที่ได้กล่าวไปนั้นจะเป็นในส่วนของการคำนวณวงแบบดั้งเดิม ซึ่งจะมีความคาดเคลื่อนอยู่มากทางทีมวิจัยเลยตระหนักถึงการพัฒนาการคำนวนโดยนำควอนตั้มมาใช้เพื่อลดค่าความคาดเคลื่อนนี้ลง ซึ่งในปี2006 Michael Nielsen จาก  University of Queensland ได้พัฒนาในการเพิ่มประสิทธิภาพให้กับวงจรนับของควอนตั้มเกตด้วยการลดระยะทางจุดสองจุดของเกตด้วยการใช้หลักการ

            ซึ่งสมการนี้แสดวงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างN คือ จำนวนเกตควอนตั้มกับปริมาตรรูปทรงทางเรขาคณิตโดยทั่วๆไปที่อยู่ใน D-dimensionalของV ตามดั่งภาพที่4 ซึ่งผลการทดลองปรากฏว่า จำนวนนับของควอนตั้มเกตจะไม่ได้ค่าตัวแปรในปริมาตรVสเปซ แต่กลับกลายได้ค่าตัวแปรที่มีกำลังเพิ่มขึ้นเป็น V2มาแทน ซึ่งจะส่งผลให้ประสิทธิภาพการคำนวณนั้นยังไม่แม่นยำ จึงทำให้ทีมวิจัยได้ทำการแก้ไขการทดลองด้วยการดัดแปลงและปรับปรุงวงจรนับของเกตนั้นอีกครั้ง จึงได้ข้อสรุปว่า จากการคำนวนของจำนวนของเกต(N)ในวงจรนั้นน้อยลง จึงจะส่งผลให้จำนวนในปริมาตรVสเปสระหว่างเกตสองเกตนั้นสั้นขึ้น จึงส่งผลให้การประมวลผลทางควอนตั้มนั้นทำงานได้ดีขึ้น และจำนวนความผิดพลาดในการประมวลผลทางควอนตั้มนั้นน้อยลงด้วย ซึ่งในสุดท้ายนี้เป็นเรื่องที่น่ายินดีเป็นอย่างมากที่ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรควอนตั้ม ที่สามารถเชื่อมโยงศาสตร์ของควอนตั้มฟิสิกส์ที่ช่วยอธิบายเกี่ยวกับหลักการทำงานของระบบของควอนตั้มเชิงกล อีกทั้งหลักการที่ใช้ในการพัฒนาวงจรทางควอนตั้มนั้นสามารถนำไปพัฒนาการคำนวณการทดลองเชิงปริมาณ ที่ไม่ใช่เพียงแค่ทฤษฎีที่มีอยู่แค่นั้นอีกทั้งยังสามารถนำไปต่อยอดการคำนวนเพิ่มเติมนอกเหนือจากหลักการที่ได้กล่าวมาข้างต้นอีกด้วย
 
ที่มา

• https://phys.org/news/2020-03-optimizing-efficiency-quantum-circuits.html
• https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.101602
• http://www.freeinfosociety.com/article.php?id=3
• https://www.electronics-tutorials.ws/logic/logic_5.html