หลักฐานไม่มีเงื่อนไขข้อได้เปรียบควอนตัมครั้งแรก

คอมพิวเตอร์ควอนตัมมาถึงแล้ว แม้จะยังไม่ชัดเจนนัก ตอนนี้ นักวิจัยอ้างว่าข้อได้เปรียบควอนตัม—จุดมุ่งหมายที่รอคอยมานานในการเหนือกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิก—ดูเหมือนจะมาถึงในที่สุด แต่เรื่องนี้มาพร้อมคำเตือนสำคัญ

การวิจัยโดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเท็กซัสที่ออสตินและบริษัทคอมพิวติ้งควอนตัมของโคโลราโด Quantinuum ได้ออกแบบและดำเนินการทดลองที่แสดงให้เห็น หลักฐานไม่มีเงื่อนไขของข้อได้เปรียบควอนตัม ซึ่งบางครั้งเรียกว่าควอนตัม Supremacy อย่างที่นักวิจัยกล่าวไว้ “ผลลัพธ์นี้พิสูจน์ได้และถาวร: ไม่มีการพัฒนาอัลกอริทึมคลาสสิกในอนาคตที่จะปิดช่องว่างนี้ได้” เอกสาร preprint ที่ยังไม่ผ่านการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญถูกเผยแพร่บน arXiv เมื่อต้นเดือนนี้

หลักฐานไม่มีเงื่อนไขของข้อได้เปรียบควอนตัม คืออะไร

Gizmodo ได้ติดต่อผู้เชี่ยวชาญหลายคนในสาขานี้ ซึ่งยืนยันผลลัพธ์ใหม่ พวกเขาบอกว่าทดลองนี้ แม้จะน่าชมเชย แต่ไม่ใช่การใช้งานที่เป็นประโยชน์ที่สุดของคอมพิวเตอร์ควอนตัม—which มักถูกวิจารณ์เรื่องความไร้ประโยชน์สำหรับผู้ใช้ทั่วไป

อย่างไรก็ตาม “ข้อได้เปรียบควอนตัม” เป็นแนวคิดที่แปลกประหลาดและยืดหยุ่นได้มาก ด้วยการประยุกต์ใช้ที่หลากหลาย โดยรวมแล้ว ผลลัพธ์เหล่านี้คุ้มค่าที่จะศึกษาลึกซึ้ง

ผู้ที่ชื่นชอบควอนตัมอาจคุ้นเคยกับ Alice และ Bob สองตัวละครสมมติที่ มักถูกเรียกใช้ ในทดลองทางควอนตัม ในบริบทของทดลองใหม่ Alice และ Bob คือสองนักวิจัยที่ร่วมมือกันในการคำนวณโดยใช้อุปกรณ์เดียวกัน พวกเขาได้รับข้อมูลนำเข้าต่างกันในเวลาที่ต่างกัน แต่เฉพาะ Alice เท่านั้นที่สามารถส่งข้อความถึง Bob และไม่ใช่ทางกลับกัน จากข้อความของ Alice Bob ต้องตัดสินใจวัดและตีความเพื่อให้ได้ผลลัพธ์สุดท้าย

ตามเอกสาร “การใช้ข้อความควอนตัมสามารถลดปริมาณการสื่อสารที่จำเป็นได้อย่างพิสูจน์ได้ โดยลดลงแบบ exponential เมื่อเทียบกับโปรโตคอลที่ใช้การสื่อสารคลาสสิกเพียงอย่างเดียว” กล่าวคือ ข้อความควอนตัมขนาดเล็กสามารถแทนที่ข้อความคลาสสิกที่ใหญ่กว่ามาก เพื่อพิสูจน์จุดนี้ ทีมงานทำซ้ำทดลอง 10,000 ครั้งบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม H1-1 แบบ trapped-ion ของ Quantinuum ร่วมกับการตรวจสอบทางคณิตศาสตร์ที่รอบคอบของโปรโตคอล

ที่น่าแปลกใจคือ พวกเขาพบว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมต้องการเพียง 12 qubits (qubits คือหน่วยข้อมูลเล็กสุดของคอมพิวเตอร์ควอนตัม) เพื่อแก้ปัญหานี้ ในทางตรงกันข้าม คอมพิวเตอร์คลาสสิกที่มีประสิทธิภาพที่สุดยังต้องการ 330 bits

“นี่เป็นประเภทของข้อได้เปรียบควอนตัมที่แตกต่างจากที่เราเคยเห็นมาก่อน—ไม่ใช่ดีหรือแย่กว่า แต่พิสูจน์บางอย่างที่แตกต่างจากทดลองในอดีตโดยสิ้นเชิง” Bill Fefferman นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์จากมหาวิทยาลัยชิคาโก บอก Gizmodo ทางอีเมล Fefferman เคยร่วมงานกับผู้เขียนอาวุโส Scott Aaronson แต่ไม่ได้มีส่วนในงานใหม่นี้

ข้อได้เปรียบควอนตัมแบบไม่มีเงื่อนไข

Fefferman อธิบายว่านักวิทยาศาสตร์มักเทียบข้อได้เปรียบควอนตัมกับ “การพยายามทำการคำนวณบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่แก้ได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิกอย่างมาก” ในทางตรงกันข้าม ทดลองใหม่นี้บรรลุ “quantum information supremacy” ซึ่งเน้นไม่ใช่ความเร็ว แต่เป็นการใช้ qubits น้อยกว่าเพื่อแก้ปัญหาที่คอมพิวเตอร์คลาสสิกต้องการ bits มากกว่า

“เป็นจริงที่ผลลัพธ์ของพวกเขาขึ้นอยู่กับไม่มีสมมติฐานที่ยังไม่พิสูจน์ นี่เป็นคุณสมบัติที่ดีของทดลองใหม่นี้ แต่ก็สืบทอดมาจาก ‘การย้ายเส้นประตู’ นี้” Fefferman กล่าว

Gizmodo ติดต่อผู้เขียนงานวิจัย ซึ่งบอกว่าพวกเขาไม่สามารถให้ความเห็นได้จนกว่าจะตีพิมพ์อย่างเป็นทางการ

ผลลัพธ์เหล่านี้ยกคำถามเกี่ยวกับเป้าหมายกว้างขึ้นของการพิสูจน์ข้อได้เปรียบควอนตัม อย่างที่ผู้อำนวยการ IBM Quantum บอก Gizmodo ใน สัมภาษณ์ก่อนหน้า คำตอบที่เป็นไปได้คือถามว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถเสริมปัญหาการคำนวณที่เราคุ้นเคยได้อย่างไร

แต่ตามที่ Fefferman ชี้ ไม่จำเป็นต้องมีแนวทางที่ดีหรือแย่กว่าในการบรรลุข้อได้เปรียบควอนตัม—แม้ว่า “เส้นประตู” นี้ดูเหมือนจะเป็นถ้วยศักดิ์สิทธิ์สำหรับการต่อสู้ของสาขานี้ในการพิสูจน์คุณค่า

นั่นอาจเป็นผลผลิตจากประวัติศาสตร์ของคอมพิวเตอร์ควอนตัม Giuseppe Carleo นักฟิสิกส์การคำนวณจาก EPFL ในสวิตเซอร์แลนด์ที่ไม่ได้มีส่วนในงานใหม่ บอก Gizmodo ทางวิดีโอคอล การเติบโตอย่างรวดเร็วของคอมพิวเตอร์ควอนตัมทำให้ลืมได้ง่ายว่าฮาร์ดแวร์ที่เหมาะสมเพิ่งมีให้ทดสอบทฤษฎีเมื่อเร็วๆ นี้

“ดังนั้นสาขานี้พัฒนาขึ้นใน 20-30 ปีที่ผ่านมาใกล้เคียงกับคณิตศาสตร์มากกว่าเป็นสาขาประยุกต์ที่คุณสามารถใช้เครื่องจักรเพื่อรันสิ่งต่างๆ” Carleo กล่าว ซึ่งพูดคุยกับ Gizmodo เกี่ยวกับประวัติศาสตร์ของคอมพิวเตอร์ควอนตัม ดังนั้น การวิเคราะห์ส่วนใหญ่ในสาขายังคงอยู่ในระดับทฤษฎีเป็นเวลานานกว่าที่นักวิทยาศาสตร์หวัง

แต่ด้วยความก้าวหน้าของฮาร์ดแวร์และอุตสาหกรรมที่เติบโตเร็ว แนวโน้มนี้กำลังเปลี่ยนไป—อย่างที่ควรจะเป็น Carleo กล่าว โครงการมากขึ้นกำลังหันไปจากทดลองข้อได้เปรียบควอนตัมที่ “ออกแบบเฉพาะเพื่อแสดงข้อได้เปรียบ” เขากล่าว หันไปหาสถานที่ที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถช่วยได้ ไม่จำเป็นต้องพลิกโฉม

นั่นใกล้เคียงกับ “ต้นกำเนิด” ของสาขานี้ เขาเสริม Richard Feynman นักฟิสิกส์ที่สำคัญต่อรากฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม เสนอ ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมควรทำนายปรากฏการณ์ควอนตัม แน่นอน อาจไม่มี “เงินมากมายที่เกี่ยวข้อง” แต่它们 “น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับฟิสิกส์ทฤษฎี” โดยเฉพาะคำถามพื้นฐานเกี่ยวกับจักรวาลของเรา Carleo อธิบาย

ทดลองใหม่นี้อาจลำบากในการพิสูจน์การเชื่อมโยงที่เป็นประโยชน์ทันที แต่ในแง่หนึ่ง preprint นี้ยึดตามคำแนะนำของ Feynman มันเป็นการแสดงที่แข็งแกร่งทางทฤษฎีในการใช้ฮาร์ดแวร์ควอนตัมเพื่อตรวจสอบแนวคิดควอนตัม

ในขณะนี้ มันดูห่างไกลจากความเป็นจริง แต่เมื่อไหร่ที่อะไรๆ ทางควอนตัมเคยให้คำตอบง่ายๆ? อย่างไรก็ตาม หากประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์เป็นตัวนำ ผลการค้นพบที่ดีที่สุดมาจากการไล่ตามที่ไม่คาดคิดและดูเหมือนไร้ประโยชน์ที่สุด เราต้องเฝ้าดูต่อไป

การค้นพบ หลักฐานไม่มีเงื่อนไขของข้อได้เปรียบควอนตัม นี้เปิดประตูสู่การพัฒนาใหม่ๆ ในเทคโนโลยีควอนตัม หากคุณสนใจ สามารถติดตามข่าวสารล่าสุดได้ที่บล็อกของเราเพื่อไม่พลาดข้อมูลสำคัญ

ที่มา – Researchers Claim First ‘Unconditional Proof’ of Quantum Advantage. What Happens Next?