Covering Disruptive Technology Powering Business in The Digital Age

เขียนโดย: Philip Krantz, Quantum Engineering Solutions, Keysight Technologies

ประมาณสี่สิบปีที่แล้ว Richard Feynman ตั้งสมมติฐานว่าระบบควอนตัมสามารถจำลองได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยใช้ฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ที่ทำงานด้วยกลไกเชิงควอนตัม ซึ่งหมายความว่าข้อมูลจะถูกจัดเก็บและประมวลผลในระบบที่เป็นไปตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัมและกฎเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำหรับการประมวลผลข้อมูล ซึ่งในการทำเช่นนี้ ข้อมูลในตัวประมวลผลควอนตัมจะถูกเข้ารหัสเป็นสถานะของคิวบิต (ควอนตัมบิต) ซึ่งเป็นระบบทางควอนตัมที่มีสองสถานะที่มีคุณสมบัติที่โดดเด่นบางประการ

สถานะการทับซ้อน (Superposition)

เมื่อเทียบกับบิตแบบคลาสสิคที่ข้อมูลแสดงโดยสถานะ “เปิด” หรือ “ปิด” ของทรานซิสเตอร์ โดยคิวบิตไม่ได้จำกัดเพียงแค่อยู่ในสถานะ “0” หรือ “1” แต่สามารถอยู่ในทั้งสองสถานะได้ในเวลาเดียวกัน ซึ่งแนวคิดพื้นฐานในฟิสิกส์ควอนตัมนี้เรียกว่าการทับซ้อน (superposition)

การทับซ้อน (Superposition) สะท้อนให้เห็นถึงลักษณะทางสถิติของกลศาสตร์ควอนตัมและคงไว้เป็นเวลานานตราบเท่าที่ระบบไม่ได้สังเกตหรือวัดผล โดยเมื่อเราวัดสถานะควอนตัม ระบบจะเกิดการยุบตัวของสถานะ ซึ่งน่าจะเป็นไปได้ที่มีค่าเป็น 1 หรือ 0 อย่างใดอย่างหนึ่ง ด้วยเหตุนี้เราจึงจำเป็นต้องให้คิวบิตได้รับการป้องกันและไม่เป็นที่สังเกตตลอดระยะเวลาของอัลกอริทึมควอนตัม

ควอนตัม decoherence คือ  การสูญเสียการเชื่อมโยงกันของควอนตัม

ถึงแม้ว่าไอเดียของโปรเซสเซอร์ควอนตัมจะมีมานานแล้ว แต่ก็ยังไม่มีการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ สาเหตุหลักประการหนึ่งที่ทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสร้างได้ยากคือ อายุการใช้งานของ qubit superposition ที่มีจำกัด ดังนั้นความท้าทายหลักประการหนึ่งสำหรับวิศวกรควอนตัมคือ การสร้างระบบควอนตัมที่มีอายุการใช้งานยาวนานที่สุดเท่าที่จะทำได้โดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพของโปรเซสเซอร์ลดลง

การสูญเสียการเชื่อมโยงกันของควอนตัมเรียกว่า decoherence และเกิดขึ้นเมื่อการซ้อนทับของควอนตัมยุบลงในสถานะคลาสสิกเมื่อมีการวัด โดยสิ่งนี้เกิดขึ้นไม่ว่าจะเป็นการวัดโดยเจตนาจากผู้สังเกตหรือเกิดจากการรบกวนจากสภาพแวดล้อม ซึ่งระบบควอนตัมจะไม่สามารถบอกความแตกต่างได้

ในการวัดเวลาการเชื่อมโยงกันของ qubit จึงเป็นรากฐานที่สำคัญในห้องปฏิบัติการควอนตัมใด ๆ เนื่องจากให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับคุณภาพของคิวบิต, การป้องกันและวิธีการดำเนินการโดยใช้ประตูตรรกะควอนตัม (quantum gate) ตลอดจนลักษณะของการอ่านค่าของคิวบิต

เวลาในการเชื่อมโยงกันของคิวบิตสามารถแบ่งออกเป็นสองช่วงเวลาที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับผลกระทบของการรบกวนที่มีต่อสถานะ โดยครั้งแรกคือ การคลายตัวของพลังงาน ซึ่งเป็นเวลาหลังจากที่สถานะคิวบิตคลายตัวสู่สถานะพื้น โดยการสลายตัวประเภทนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้เนื่องจากพลังงานออกจากระบบ ประการที่สองคือ เวลา dephasing ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่สถานะสูญเสียข้อมูลเฟส โดยการสูญเสียการเชื่อมโยงกันของเฟสสามารถย้อนกลับได้ภายใต้สถานการณ์บางอย่างโดยใช้ลำดับเกตแบบปรับโฟกัส

การพัวพันและการรบกวนเชิงควอนตัม

สถานะการทับซ้อนของควอนตัมยังสามารถขยายระหว่างระบบควอนตัมเพื่อให้การดำเนินการในระบบหนึ่งส่งผลกระทบต่อระบบอื่น ๆ ทันที โดยปฏิสัมพันธ์ประเภทนี้เรียกว่าการพัวพันเชิงควอนตัมและทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีการปรับขนาดที่ได้เปรียบในพลังการคำนวณด้วย คิวบิตที่เพิ่มเข้ามาแต่ละตัว

เพื่อเป็นตัวอย่างให้พิจารณาจำนวนสัมประสิทธิ์ที่เป็นแบบเชิงซ้อนที่จำเป็นในการอธิบายการลงทะเบียนควอนตัมแบบเต็ม โดยสถานะคิวบิตเดียวสามารถแสดงได้ด้วยค่าสัมประสิทธิ์ที่ซับซ้อนสองค่าและสอดคล้องกับความน่าจะเป็นในการค้นหาระบบในสถานะและตามลำดับ ซึ่งหากเราต้องการแสดงสถานะของสองคิวบิตที่พันกัน เราต้องมีค่าสัมประสิทธิ์ที่ซับซ้อนสี่อย่างนั่นคือและอื่น ๆ ในความเป็นจริงจำนวนของสัมประสิทธิ์จะปรับขนาดตามที่จำนวน คิวบิตอยู่ที่ไหน ซึ่งหมายความว่าในการลงทะเบียนคิวบิตที่มี 300 คิวบิตนั้น จำนวนของสัมประสิทธิ์จะมากกว่าจำนวนอะตอมในจักรวาลที่เรารู้จัก

สำหรับในอัลกอริทึมควอนตัม การดำเนินการบนการลงทะเบียนคิวบิตที่มีคิวบิตเป็นจำนวนมาก ผลลัพธ์ที่คาดหวังไว้จะมีการแจกแจงทางสถิติระหว่างความน่าจะเป็นในการค้นหาคิวบิตในบางสถานะ ซึ่งระบุว่าคิวบิตนั้นมีการพัวพันกัน โดยคำตอบของงานคำนวณจะถูกดึงมาจากการวิเคราะห์รูปแบบการรบกวนควอนตัม (หรือความสัมพันธ์) ของสถานะผลลัพธ์

Keysight กับควอนตัม

Keysight อยู่ในตำแหน่งที่ไม่ซ้ำกันภายในระบบนิเวศควอนตัมเพื่อให้ระบบควบคุมควอนตัมแบบแยกส่วนและปรับขนาดได้ ด้วยการใช้ประโยชน์จากประสบการณ์อันยาวนานของ Keysight ในอุปกรณ์การวัดขั้นสูง, โซลูชันการควบคุมคิวบิตและเครื่องมือวัดที่แม่นยำช่วยให้นักวิจัยสามารถสร้างวิศวกรและปรับขนาดระบบที่เหนือกว่าได้ ในปี 2020 เราได้ขยายกลุ่มผลิตภัณฑ์โซลูชันของเราด้วยการเพิ่มซอฟต์แวร์ Labber ซึ่งทำให้ลูกค้าของเราสามารถเข้าถึงการควบคุมเครื่องมือและระบบอัตโนมัติได้อย่างง่ายดาย โดยความเชี่ยวชาญของเราในการคำนวณควอนตัมและวิศวกรรมระบบทำให้เกิดยุควิศวกรรมควอนตัมใหม่

(0)(0)