ไขข้อสงสัยเกี่ยวกับการประมวลผลแบบควอนตัม

คอมพิวเตอร์ควอนตัม (Quantum Computer) ได้รับการพัฒนามานานเป็นเวลากว่าหลายทศวรรษ โดยได้รับการยกย่องว่าเป็นความยิ่งใหญ่ด้านเทคโนโลยีและก้าวสำคัญที่จะนำไปสู่การแก้ไขปัญหาที่ยังหาทางออกไม่ได้ในปัจจุบัน แพลตฟอร์มการวิจัยทางการตลาดอย่าง MarketsandMarkets Research Private Ltd. ได้ประเมินมูลค่าตลาดคอมพิวเตอร์ควอนตัมว่าจะมีมูลค่าสูงถึง 1.76 พันล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ในปี พ.ศ. 2569 โดยได้รับการสนับสนุนการลงทุนจากภาครัฐสำหรับการวิจัยและพัฒนา เพื่อยกระดับศักยภาพของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ตลาดคอมพิวเตอร์ควอนตัมในประเทศไทยถือว่ามีการขยายตัวและมีการเติบโตที่ดีเช่นเดียวกัน สำนักงานส่งเสริมเศรษฐกิจดิจิทัล (Depa) และบริษัทวิจัยและให้คำปรึกษา Frost and Sullivan รายงานว่าตลาดคอมพิวเตอร์ควอนตัมในประเทศไทยอาจมีมูลค่าสูงถึง 780 ล้านบาท ในปี พ.ศ. 2568  และ 6.5 พันล้านบาท ภายในปี พ.ศ. 2573 นอกจากนี้ ประเทศไทยยังมีนักวิจัยจำนวนมากจากหลากหลายมหาวิทยาลัยชั้นนำของประเทศที่อุทิศตนเพื่อพัฒนาความรู้ในสาขานี้ โดยได้รับความช่วยเหลือ การสนับสนุน และเงินทุนจากรัฐบาล

การจะทำความเข้าใจว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นคืออะไรและมีศักยภาพอย่างไรบ้าง เราควรเข้าใจก่อนว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นแตกต่างจากคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมอย่างไรบ้าง

อะไรคือความแตกต่างระหว่าง ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ (Supercomputer) กับ คอมพิวเตอร์ควอนตัม

คนทั่วไปมักคิดว่าพลังของการคำนวณขึ้นอยู่กับความเร็วในการประมวลผลของคอมพิวเตอร์  แต่แม้กระทั่งคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปที่ดีที่สุดก็ยังไม่สามารถทำการคำนวณขนาดใหญ่หรือจัดการกับฐานข้อมูลขนาดใหญ่ สำหรับเวิร์กโหลดเชิงพาณิชย์ อย่างการพยากรณ์อากาศและการสร้างแบบจำลองระดับโมเลกุลได้ แต่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์สามารถทำได้ ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ทำงานโดยอาศัยการคำนวณข้อมูลแบบไบนารี (Binary) ที่ใช้ระบบเลขฐานสองในการประมวลผล หรือ ระบบความเข้าใจที่ทำงานด้วยการจัดการข้อมูลและรองรับคำสั่งแบบสองขั้ว ได้แก่ 0 หรือ 1, เปิดหรือปิด, ใช่หรือไม่ใช่ ซึ่งเป็นพื้นฐานการทำงานเดียวกับคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมทั้งหมด  โดยความซับซ้อนยุ่งยากของการคำนวณเกิดขึ้นเมื่อต้องจัดการข้อมูลแบบไบนารีที่มีลักษณะยาว

ส่วนคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นทำงานโดยอาศัยหลักการของฟิสิกส์ควอนตัม ที่ต้องอาศัยคิวบิต (Qubit) หรือ ชื่อเต็มเรียกว่า ควอนตัมบิต (Quantum bit) โดยอธิบายให้เข้าใจง่าย ๆ คือ คิวบิตเปรียบเสมือนเหรียญที่สามารถอยู่ในสถานะหัวหรือก้อยก็ได้ และนึกภาพเหรียญที่กำลังหมุนที่จะทำให้เกิดสภาวะที่เรียกว่า สภาวะทับซ้อน (Superposition) กล่าวคือ เหรียญอยู่ในสถานะที่ออกหัวและก้อยพร้อมกันในเวลาเดียวกัน และหากเรามีเหรียญ 2 เหรียญที่หมุนพันกัน เราก็จะเจอกับ 4 สภาวะทับซ้อนที่เกิดขึ้นพร้อมกัน พลังของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจึงเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณด้วยจำนวนของคิวบิตที่เปรียบเสมือนจำนวนเหรียญที่กำลังหมุนพันกันนี่เอง โดยในทางทฤษฎีนั้น หากเรามีคิวบิตที่หมุนพันกัน 50 คิวบิต เราจะสามารถเข้าถึงสถานะต่าง ๆ ได้มากกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ในขณะที่คิวบิตที่หมุนพันกัน 300 คิวบิตนั้นจะกลายเป็นสถานะที่มากกว่าอะตอมซึ่งมีคุณสมบัติที่สามารถเคลื่อนที่ได้หลายตำแหน่งในเวลาเดียวกันในจักรวาลนี้เสียอีก

จะเห็นได้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นแตกต่างจากซูเปอร์คอมพิวเตอร์ เพราะคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาศัยการคำนวณข้อมูลแบบนอนไบนารี (Non-binary) ในการทำงานโดยคำนวณข้อมูลอิงจากความน่าจะเป็น  ถึงแม้ว่าโอกาสที่จะนำคอมพิวเตอร์ควอนตัมมาใช้งานจริงยังต้องอาศัยงานค้นคว้าวิจัยเพิ่มเติม แต่อย่างไรก็ดี ด้วยความเป็นไปได้ที่ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจจะสามารถถอดรหัสอัลกอริทึมที่ยากที่สุดในปัจจุบันได้ ก็ทำให้องค์กรภาครัฐและเอกชนต่างหยุดทบทวนที่จะพัฒนาศักยภาพในระบบซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของพวกเขาต่อ  ตัวอย่างเช่น คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมจะใช้เวลาประมาณ 300 ล้านล้านปีในการถอดรหัสอัลกอริทึมที่เข้ารหัสลับแบบกุญแจอสมมาตร (RSA) 2,048 บิต แต่ในทางกลับกันเราสามารถถอดรหัสอัลกอริทึมที่เข้ารหัสลับแบบกุญแจอสมมาตรนี้ได้ในเวลาเพียง 10 วินาทีโดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม 4,099 คิวบิต

แต่จากข้อมูล ณ เดือนพฤศจิกายน 2564 ความสำเร็จครั้งสำคัญในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมของเราอยู่ที่ 127 คิวบิต ซึ่งยังถือว่าห่างไกลจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาด 4,099 คิวบิตอีกหลายขั้น

หนทางสู่การนำเทคโนโลยีควอนตัมไปใช้งานจริง

ในความเป็นจริง เราต้องการคิวบิตคุณภาพสูงมากกว่าหนึ่งล้านตัวเพื่อปรับใช้การประมวลผลแบบควอนตัมในเชิงพาณิชย์ หรือที่รู้จักอีกอย่างว่า การทำให้การประมวลผลแบบควอนตัมเป็นจริงได้ (quantum practicality) ซึ่งคือการปรับใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมในเชิงพาณิชย์ได้สำเร็จและสามารถแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องในโลกความเป็นจริงได้

ความท้าทายในการบรรลุเป้าหมายดังกล่าว คือ ความจริงที่ว่าคิวบิตนั้นมีความเปราะบาง เพราะคิวบิตมีอายุการใช้งานที่สั้นมาก (ไมโครวินาทีไมโครวินาที) อีกทั้งยังต้องลดสิ่งรบกวน (Noise) ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมออกเพราะสิ่งรบกวนเพียงเล็กน้อย เช่น การรบกวนจากสนามแม่เหล็กภายนอกและการแปรผันของอุณหภูมิอาจทำให้ข้อมูลสูญหายได้ ประเด็นสำคัญที่เราจำเป็นต้องแก้ไขเพื่อพัฒนาความสามารถในการปรับขนาดของระบบการประมวลผลแบบควอนตัมให้ทำงานได้จริง มี 3 ประเด็น ดังนี้

การจัดการคิวบิต ในอุณหภูมิที่สูงขึ้นด้วยเทคโนโลยีชิป Spin qubits

ด้วยลักษณะที่เปราะบางของ คิวบิต ทำให้คิวบิตต้องประมวลผลอยู่ในอุณหภูมิที่เย็นจัด (ประมาณ -273 องศาเซลเซียส) ซึ่งสร้างความท้าทายให้กับการออกแบบวัสดุของตัวชิปคิวบิตและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่ควบคุมอื่น ๆ ให้สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในการทำงานเพื่อปรับขยายขนาดของชิปควอนตัม อินเทล ได้ร่วมกับ QuTech  ในการสร้างกระบวนการผลิตเทคโนโลยี Spin qubits จากสารซิลิคอนที่ช่วยให้สามารถประดิษฐ์ อาเรย์ (Array) ได้มากกว่า 10,000 อาเรย์  ด้วยชิป – Spin qubits หลายตัวที่ทำจากสารซิลิคอนบนแผ่นเวเฟอร์ (wafer) เพียงแผ่นเดียวที่ให้ประสิทธิภาพได้มากกว่า 95 เปอร์เซ็นต์ เทคโนโลยีชิป Spin qubits นั้นคล้ายกับทรานซิสเตอร์มาก มันถูกสร้างขึ้นจากเทคโนโลยีการผลิตชิปบนเวเฟอร์ขนาดเพียง 300 มิลลิเมตร บนโครงสร้างเดียวกันกับชิปซีมอส (Complementary metal-oxide-semiconductor  หรือ CMOS) ของอินเทล การวิจัยร่วมกันระหว่างอินเทลกับ Qutech ในครั้งนี้แสดงให้เห็นว่า มีความเป็นไปได้ที่ คิวบิต จะถูกผลิตควบคู่ไปกับชิปดั้งเดิมทั่วไปในโรงงานผลิตเดียวกัน

เทคโนโลยีชิป Spin qubits เหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าคิวบิตแบบ Superconducting Qubits มาก แต่สามารถเชื่อมโยงกับระบบได้นานกว่าและสามารถประมวลผลได้ในพื้นที่ที่อุณหภูมิสูงกว่าคิวบิตแบบ Superconducting Qubits (ที่อุณหภูมิ -272.15 องศาเซลเซียส) ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบด้านความสามารถในการปรับขนาด และช่วยลดความซับซ้อนของระบบซึ่งจำเป็นต่อการใช้งานชิปในการควบคุมและผสานรวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เข้ากับโปรเซสเซอร้ให้ใกล้ชิดยิ่งขึ้น นอกจากนี้ การวิจัยร่วมครั้งนี้ยังเน้นถึงการควบคุมที่สอดคล้องกันของสองคิวบิตด้วยความแม่นยำของ Single-qubit ที่สูงถึง 99.3 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งพัฒนาการความก้าวหน้าเหล่านี้ แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการควบคุมการแช่แข็งของระบบควอนตัมในอนาคต ที่จะมาพร้อมกับชิป Spin qubits ที่ทำจากสารซิลิคอนในรูปแบบเชิงบูรณาการ

ลดความซับซ้อนของระบบเพื่อเร่งเวลาการตั้งค่าและเสริมประสิทธิภาพของคิวบิต

ความท้าทายที่สำคัญอีกประการในระบบควอนตัมปัจจุบันคือการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อุณหภูมิห้องและสายเคเบิลโคเอกเชียล (Coaxial Cable) จำนวนมากที่โยงเข้ากับชิปคิวบิตภายในตู้เย็นเจือจางความร้อน (dilution refrigerator) ซึ่งวิธีนี้ไม่สามารถปรับขนาดให้ใหญ่ขึ้นเพื่อใช้กับคิวบิตที่มีจำนวนมากได้ เนื่องด้วยปัจจัยหลายอย่าง ทั้งฟอร์มแฟคเตอร์ ต้นทุน การใช้พลังงาน และการโหลดความร้อนไปยังตู้เย็น การแก้ปัญหาความท้าทายนี้เป็นสิ่งสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเรื่องการลดความซับซ้อนของชั้นวางอุปกรณ์ที่มีหลายชั้น และสายไฟหลายพันเส้นที่วิ่งเข้าและออกจากตู้เย็นเพื่อใช้งานเครื่องควอนตัม

อินเทลได้แทนที่เครื่องมือขนาดใหญ่เหล่านี้ด้วยการบูรณาการเทคโนโลยี system-on-a-chip (SoC) ขั้นสูง และชิปควบคุมการประมวลผลควอนตัมแบบแช่แข็ง (Cryogenic quantum computing control chip) ตัวแรกที่ทำให้การออกแบบระบบเป็นเรื่องที่ง่ายขึ้น วิธีนี้ใช้เทคนิคการประมวลผลสัญญาณที่ซับซ้อนเพื่อเร่งเวลาการตั้งค่า เสริมประสิทธิภาพของคิวบิต และช่วยให้ทีมวิศวกรรมปรับขนาดระบบควอนตัมให้รองรับจำนวนคิวบิตมากขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แนวทางการปรับเสริมขนาดเพื่อการคำนวณควอนตัมอย่างเต็มรูปแบบ

เนื่องจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นรูปแบบการประมวลผลใหม่ทั้งหมด จึงต้องใช้วิธีการรันโปรแกรมที่แตกต่างไปจากที่เคยมีมาอย่างสิ้นเชิง โดยต้องใช้ฮาร์ดแวร์ ซอฟต์แวร์ และแอปพลิเคชันใหม่ที่พัฒนาขึ้นสำหรับระบบเหล่านี้โดยเฉพาะ ซึ่งหมายความว่า คอมพิวเตอร์ควอนตัมจำเป็นต้องปรับเปลี่ยนส่วนประกอบต่าง ๆ ใหม่ทุกส่วน ตั้งแต่โปรเซสเซอร์ควบคุมคิวบิต อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ควบคุม ไปจนถึงอุปกรณ์ชิปคิวบิต และ อื่น ๆ โดยอินเทลได้มุ่งมั่นที่จะพัฒนาส่วนประกอบต่าง ๆ เหล่านี้ขึ้นเองทั้งหมดเพื่อปรับเสริมขอบเขตการประมวลผลควอนตัมให้เต็มรูปแบบ โดยความท้าทายคือการทำให้ส่วนประกอบทั้งหมดเหล่านี้สามารถทำงานร่วมกันได้เป็นอย่างดี ซึ่งเทียบได้กับการออกแบบท่าเต้นให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำงานพลิ้วไหวได้อย่างสวยงาม

เห็นได้ชัดว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ได้ถูกสร้างมาเพื่อแทนที่โครงสร้างพื้นฐานของการประมวลผลแบบดั้งเดิม แต่ถูกสร้างมาเพื่อพัฒนาโครงสร้างเดิมให้ดียิ่งขึ้น ความมุ่งมั่นในการพัฒนาเทคโนโลยีนี้มีเป้าหมายเพื่อแก้ปัญหาความท้าทายที่ยากจะแก้ไขด้วยระบบคอมพิวเตอร์แบบเดิม แต่หนทางสู่การสร้างระบบให้สามารถนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ได้จริงทั้งในเชิงปฏิบัติและเชิงพาณิชย์นั้น ยังคงต้องอาศัยความพากเพียร ความมุมานะอดทน และความร่วมมือจากพันธมิตรหลายฝ่าย

ในทางหนึ่ง สิ่งที่อินเทลได้ทำเพื่อพัฒนาปรับเสริมคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม ด้วยเทคโนโลยีชิป Spin qubits  การควบคุมด้วยความเย็น และการปรับขยายขอบเขตการคำนวณควอนตัมให้ทำงานได้แบบเต็มรูปแบบ ทำให้อินเทลเหมาะสมที่จะเป็นผู้จัดการความท้าทายเหล่านี้ ด้วยขนาดของการพัฒนาปรับเปลี่ยนที่จำเป็นเพื่อใช้แก้ไขความท้าทายสำคัญ ๆ เกี่ยวกับการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม ความก้าวหน้าเหล่านี้เป็นเพียงหนึ่งในเบื้องหลังการพัฒนาอีกมากมายที่อินเทลกำลังเดินหน้าสร้างสรรค์เพื่อให้การประมวลผลโดยคอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นไปได้อย่างสมบูรณ์และใช้งานได้จริงในอนาคตอันใกล้

บทความโดย อเล็กซิส โครเวลล์ กรรมการผู้จัดการภูมิภาคเอเชีย-แปซิฟิก และรองประธานกลุ่มการขาย การตลาดและการสื่อสารของอินเทล