การเปลี่ยนแปลงทางดิจิทัลกำลังเปลี่ยนแปลงโลกให้เร็วขึ้นกว่าที่เคย การเรียนรู้เกี่ยวกับแนวคิดหลักของยุคดิจิทัลจะยิ่งมีความสำคัญมากขึ้นไปอีกเมื่อเทคโนโลยีคลื่นลูกใหม่เข้ามาใกล้เข้ามา ซึ่งจะเปลี่ยนรูปแบบที่มีอยู่ด้วยความเร็วและพลังอันน่าทึ่ง นั่นคือ การคำนวณควอนตัม
ในบทความนี้ เราเปรียบเทียบแนวคิดพื้นฐานของการคำนวณแบบดั้งเดิมและการคำนวณควอนตัม และเริ่มสำรวจการใช้งานในด้านต่างๆ
คุณสมบัติควอนตัมคืออะไร?
ตลอดประวัติศาสตร์ มนุษย์ได้พัฒนาเทคโนโลยีเพื่อทำความเข้าใจการทำงานของธรรมชาติผ่านวิทยาศาสตร์ ระหว่างทศวรรษ 1900 และ 1930 การศึกษาปรากฏการณ์ทางกายภาพบางอย่างที่ยังไม่เข้าใจกันดีนักได้ก่อให้เกิดทฤษฎีทางกายภาพใหม่: กลศาสตร์ควอนตัม ทฤษฎีนี้อธิบายและอธิบายการทำงานของโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์ ที่อยู่อาศัยตามธรรมชาติของโมเลกุล อะตอม และอิเล็กตรอน
ไม่เพียงแต่จะสามารถอธิบายปรากฏการณ์เหล่านี้ได้เท่านั้น แต่ยังทำให้เข้าใจได้ว่าความเป็นจริงของอะตอมใต้พิภพทำงานในลักษณะที่ขัดกับสัญชาตญาณอย่างสมบูรณ์ เกือบจะเป็นเวทมนตร์ และเหตุการณ์เกิดขึ้นในโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่ไม่ได้เกิดขึ้นใน โลกมหภาค
คุณสมบัติของควอนตัมเหล่านี้รวมถึงการซ้อนทับควอนตัม การพัวพันกับควอนตัม และการเทเลพอร์ตของควอนตัม
- การซ้อนทับควอนตัม อธิบายว่าอนุภาคสามารถอยู่ในสถานะต่างๆ ได้อย่างไรในเวลาเดียวกัน
- ควอนตัมพัวพัน อธิบายว่าอนุภาคสองอนุภาคสามารถเข้าสู่สถานะ "พัวพัน" ได้อย่างไร และหลังจากนั้น ตอบสนองเกือบจะพร้อมกันในลักษณะเดียวกัน แม้จะมีระยะห่างทางกายภาพก็ตาม กล่าวอีกนัยหนึ่ง พวกมันสามารถวางห่างกันได้ตามต้องการ และเมื่อโต้ตอบกับสิ่งหนึ่ง อีกสิ่งหนึ่งจะตอบสนองต่อการโต้ตอบแบบเดียวกันนั้น
- Quantum teleportation ใช้ควอนตัมพัวพันเพื่อส่งข้อมูลจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยไม่จำเป็นต้องเดินทางผ่านอวกาศ
การคำนวณควอนตัมขึ้นอยู่กับคุณสมบัติควอนตัมเหล่านี้ในธรรมชาติของอะตอม
ในกรณีนี้ ความเข้าใจในโลกของกล้องจุลทรรศน์ในปัจจุบันผ่านกลศาสตร์ควอนตัมช่วยให้เราสามารถประดิษฐ์และออกแบบเทคโนโลยีที่สามารถปรับปรุงชีวิตของผู้คนได้ มีเทคโนโลยีต่างๆ มากมายที่ใช้ปรากฏการณ์ควอนตัม และบางส่วน เช่น เลเซอร์หรือการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) มีมานานกว่าครึ่งศตวรรษ
การคำนวณควอนตัมคืออะไร?
เพื่อให้เข้าใจว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานอย่างไร อันดับแรกควรอธิบายว่าคอมพิวเตอร์ที่เราใช้ทุกวัน ซึ่งอ้างถึงในบทความนี้เป็นคอมพิวเตอร์ดิจิทัลหรือคอมพิวเตอร์คลาสสิกทำงานอย่างไร เช่นเดียวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เช่น แท็บเล็ตหรือโทรศัพท์มือถือ ใช้บิตเป็นหน่วยหน่วยความจำพื้นฐาน ซึ่งหมายความว่าโปรแกรมและแอปพลิเคชันถูกเข้ารหัสเป็นบิต เช่น ในภาษาไบนารีที่มีเลขศูนย์และตัวเดียว
ทุกครั้งที่เราโต้ตอบกับอุปกรณ์เหล่านี้ ตัวอย่างเช่น โดยการกดปุ่มบนแป้นพิมพ์ สตริงของศูนย์ และสตริงจะถูกสร้างขึ้น ทำลาย และ/หรือแก้ไขภายในคอมพิวเตอร์
คำถามที่น่าสนใจคือ เลขศูนย์และเลขศูนย์เหล่านี้คืออะไรในคอมพิวเตอร์ สถานะศูนย์และหนึ่งบิตสอดคล้องกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านชิ้นส่วนขนาดเล็กมากที่เรียกว่าทรานซิสเตอร์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นสวิตช์ เมื่อไม่มีกระแสไหล ทรานซิสเตอร์จะ "ปิด" และสอดคล้องกับบิต 0 และเมื่อกระแสไหล ทรานซิสเตอร์จะ "เปิด" และสอดคล้องกับบิต 1
ในรูปแบบที่ง่ายกว่านั้น มันเหมือนกับว่าบิต 0 และ 1 ตรงกับรู ดังนั้นรูที่ว่างเปล่าจึงเป็น 0 บิต และรูที่อิเล็กตรอนครอบครองคือบิต 1 ตอนนี้ เราก็ได้แนวคิดแล้วว่าคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันทำงานอย่างไร เรามาพยายามทำความเข้าใจว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานอย่างไร
จากบิตถึงคิวบิต
หน่วยพื้นฐานของข้อมูลในการคำนวณควอนตัมคือควอนตัมบิตหรือคิวบิต ตามคำนิยาม Qubits เป็นระบบควอนตัมสองระดับซึ่งเช่นเดียวกับบิตสามารถอยู่ที่ระดับต่ำซึ่งสอดคล้องกับสถานะของการกระตุ้นต่ำหรือพลังงานที่กำหนดเป็น 0; หรือในระดับสูงซึ่งสอดคล้องกับสภาวะของการกระตุ้นที่สูงขึ้นหรือกำหนดเป็น 1
อย่างไรก็ตาม และนี่คือความแตกต่างพื้นฐานของการคำนวณแบบคลาสสิก qubits สามารถอยู่ในสถานะระดับกลางใด ๆ ที่ไม่มีที่สิ้นสุดระหว่าง 0 ถึง 1 เช่นสถานะที่เป็นครึ่ง 0 และครึ่ง 1 หรือสามในสี่ของ 0 และหนึ่งในสี่ ของ 1. ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการทับซ้อนของควอนตัมและเป็นเรื่องปกติในระบบควอนตัม
อัลกอริธึมควอนตัม: การประมวลผลที่ทรงพลังและมีประสิทธิภาพมากขึ้นอย่างทวีคูณ
จุดประสงค์ของคอมพิวเตอร์ควอนตัมคือการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติควอนตัมเหล่านี้ของ qubits เป็นระบบควอนตัม เพื่อให้สามารถเรียกใช้อัลกอริทึมควอนตัมที่ใช้การซ้อนทับและการพัวพันเพื่อให้พลังการประมวลผลที่มากกว่าแบบคลาสสิก
สิ่งสำคัญคือต้องชี้ให้เห็นว่าการปรับเปลี่ยนกระบวนทัศน์ที่แท้จริงไม่ได้ประกอบด้วยการทำสิ่งเดียวกันกับที่คอมพิวเตอร์ดิจิทัลหรือคอมพิวเตอร์คลาสสิกในปัจจุบันทำ แต่เร็วกว่า เนื่องจากบทความจำนวนมากอ้างว่าผิดพลาด แต่อัลกอริธึมควอนตัมยอมให้การดำเนินการบางอย่างเป็นไป ดำเนินการในลักษณะที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ที่มักจะมีประสิทธิภาพมากกว่า นั่นคือในเวลาที่น้อยกว่ามาก หรือใช้ทรัพยากรในการคำนวณน้อยกว่ามาก-
ลองดูตัวอย่างที่เป็นรูปธรรมว่าสิ่งนี้หมายความว่าอย่างไร ลองนึกภาพว่าเราอยู่ในซานฟรานซิสโก และเราต้องการทราบว่าเส้นทางใดดีที่สุดไปนิวยอร์กจากตัวเลือกกว่าล้านวิธีในการไปที่นั่น (N=1,000,000) เพื่อให้สามารถใช้คอมพิวเตอร์ค้นหาเส้นทางที่เหมาะสมได้ เราจำเป็นต้องแปลงตัวเลือก 1,000,000 ตัวเลือกให้เป็นดิจิทัล ซึ่งหมายความว่าจะแปลเป็นภาษาบิตสำหรับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกและเป็น qubits สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม
ในขณะที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะต้องผ่านทุกเส้นทางทีละตัวจนกว่าจะพบเส้นทางที่ต้องการ คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ประโยชน์จากกระบวนการที่เรียกว่าควอนตัมคู่ขนานที่ช่วยให้พิจารณาเส้นทางทั้งหมดได้ในคราวเดียว นี่ก็หมายความว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะค้นหาเส้นทางที่เหมาะสมได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป เนื่องจากการเพิ่มประสิทธิภาพของทรัพยากรที่ใช้
เพื่อให้เข้าใจถึงความแตกต่างของความสามารถในการคำนวณ ด้วย n qubits เราสามารถทำได้เทียบเท่ากับ 2n บิต มักกล่าวกันว่าประมาณ270 qubits คุณสามารถมีสถานะพื้นฐานมากขึ้นในคอมพิวเตอร์ควอนตัม - สตริงอักขระที่แตกต่างกันและพร้อมกันมากกว่า - มากกว่าจำนวนอะตอมในจักรวาลซึ่งประมาณว่าประมาณ 280. อีกตัวอย่างหนึ่งคือประมาณการว่าด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัมระหว่าง 2000 ถึง 2500 qubits คุณสามารถทำลายการเข้ารหัสทั้งหมดที่ใช้ในปัจจุบันได้ (เรียกว่าการเข้ารหัสคีย์สาธารณะ)
เท่าที่การเข้ารหัสดำเนินไป มีข้อดีมากมายในการใช้ การคำนวณควอนตัม. หากระบบสองระบบพัวพันกันโดยสิ้นเชิง นั่นหมายความว่าระบบทั้งสองมีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน (เช่น เมื่อระบบหนึ่งเปลี่ยนแปลง อีกระบบหนึ่งก็จะเปลี่ยนไปด้วย) และไม่มีบุคคลที่สามแบ่งปันความสัมพันธ์นี้
Takeaway
เราอยู่ในยุคของการเปลี่ยนแปลงทางดิจิทัลที่เทคโนโลยีเกิดใหม่ที่แตกต่างกัน เช่น บล็อคเชน ปัญญาประดิษฐ์ โดรน Internet of Things ความเป็นจริงเสมือน 5G เครื่องพิมพ์ 3 มิติ หุ่นยนต์ หรือ ยานพาหนะอิสระ มีมากขึ้นในหลายสาขาและภาคส่วน
เทคโนโลยีเหล่านี้ซึ่งกำหนดขึ้นเพื่อปรับปรุงคุณภาพชีวิตของมนุษย์ด้วยการเร่งการพัฒนาและสร้างผลกระทบทางสังคมกำลังก้าวหน้าไปพร้อม ๆ กัน เราไม่ค่อยเห็นบริษัทพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ใช้ประโยชน์จากการผสมผสานเทคโนโลยีเหล่านี้ตั้งแต่สองอย่างขึ้นไป เช่น บล็อกเชนและ IoT หรือโดรนและ ปัญญาประดิษฐ์.
ในขณะที่พวกเขาถูกกำหนดให้มาบรรจบกันและทำให้เกิดผลกระทบมากขึ้นอย่างทวีคูณ แต่ระยะเริ่มต้นของการพัฒนาที่พวกเขาอยู่และการขาดแคลนนักพัฒนาและผู้ที่มีพื้นฐานทางเทคนิคหมายความว่าการบรรจบกันยังคงเป็นงานที่รอดำเนินการ
เนื่องจากศักยภาพในการก่อกวน เทคโนโลยีควอนตัมไม่เพียงแต่คาดว่าจะมาบรรจบกับเทคโนโลยีใหม่ทั้งหมดเหล่านี้ แต่ยังมีอิทธิพลในวงกว้างในแทบทุกเทคโนโลยีอีกด้วย คอมพิวเตอร์ควอนตัม จะคุกคามการรับรองความถูกต้อง การแลกเปลี่ยนและการรักษาความปลอดภัยการจัดเก็บข้อมูล ซึ่งมีผลกระทบมากขึ้นต่อเทคโนโลยีเหล่านั้นซึ่งการเข้ารหัสมีบทบาทที่เกี่ยวข้องมากขึ้น เช่น การรักษาความปลอดภัยทางไซเบอร์หรือบล็อกเชน
เขียนความเห็น