วงจรตรรกศาสตร์แบบควอนตัมคอมพิวเตอร์
การสร้าง quantum computer ใกล้ความจริงเข้าไปอีกหนึ่งขั้น(แม้ว่าจะยังไกลโขอยู่) โดยเมื่อเร็วๆนี้ทีมนักฟิสิกส์นำโดย Francesco De Martini จากมหาวิทยาลัยแห่งโรม อิตาลี ได้ประสบความสำเร็จในการสร้าง logic gate แบบนิเสธ (NOT gate) ขึ้นมาได้โดยมีความแม่นยำเกือบๆ 100 %
โดยทั่วไปในวงจรอิเล็กทรอนิกส์หรือในคอมพิวเตอร์ปัจจุบันนั้น NOT gate คือส่วนของวงจรที่กลับค่าทางตรรกศาสตร์จาก 0 เป็น 1 หรือ จาก 1 เป็น 0 (กล่าวอีกอย่างคือจากเท็จเป็นจริง จริงเป็นเท็จ) ซึ่งค่า 0 หรือ 1 เรียกว่า bit สามารถแทนได้โดยอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์เช่นตัวเก็บประจุ เมื่อมีประจุเป็น 1 และเป็น 0 เมื่อไม่มีประจุ หรือการเปิดปิดวงจรในทรานซิสเตอร์ ฯลฯ เทคโนโลยีปัจจุบันสามารถเก็บข้อมูลหลายๆๆๆ bit ลงในอุกรณชิ้นเล็กๆเช่น chip ในคอมพิวเตอร์ซึ่งนับวันจะเล็กลงไปเรื่อยๆ คำถามคือว่าเราสามารถทำให้มันเล็กลงไปถึงแค่ไหน ประมาณ 20 กว่าปีที่แล้วที่มีผู้ตอบคำถามนี้ (หนึ่งในนั้นคือ Richard Feynman ที่เรารู้จักกันดีนั่นเอง) นั่นคือในทางทฤษฎีแล้วเราสามารถบันทึกข้อมูล 1 bit ได้ในระบบควอนตัมสองสถานะ(2-state quantum system) ตัวอย่างเช่นโฟตอน(อนุภาคของแสง)ที่มีทิศทางการโพลาไรซ์ในแนวดิ่งหรือแนวราบเทียบกับทิศการเคลื่อนที่, ระบบของอิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้นหรือลง ฯลฯ และเราเรียกหน่วยย่อยที่บันทึกข้อมูลในแบบนี้ว่า quantum bit หรือย่อๆว่า qubit นี่เป็นจุดกำเนิดของวิชา Quantum Computation ที่ประมาณกันว่าถ้าสามารถสร้างขึ้นมาได้จริงจะมีประสิทธิภาพกว่าคอมพิวเตอร์ในแบบปัจจุบัน (classical computer) อย่างเทียบกันไม่ติดเลย (สำหรับผู้สนใจสามารถอ่านรายละเอียดได้จากกระทู้เก่าๆดัง link ต่อไปนี้) โดยหลักการเราสามารถสร้าง quantum computer ได้โดยการสร้าง qubit และจับมันมารวมกันส่วนการคำนวณก็สามารถออกแบบวงจรตรรกที่ประกอบไปด้วย gate ต่างๆเช่น NOT, AND, OR มากระทำต่อ qubit เหล่านี้ อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่เรื่องยากแต่ยากมากๆ(เนื่องจาก quantum interference และ decoherence) ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงเริ่มต้นง่ายๆด้วยการสร้าง gate ที่ง่ายที่สุดก่อนคือ NOT gate
ในวงจรธรรมดาถ้าเราต้องการสร้าง NOT gate คือกลับค่าของ bit สามารถทำได้อย่างแน่นอนกล่าวคือเราจะเปลี่ยนค่าของ 1 bit จาก 1 เป็น 0 ได้โดยการเปิดหรือปิดวงจรเท่านั้นแต่ในการกลับค่าของ qbit จากการคำนวณทางทฤษฎีเราทำได้แค่ 2/3 กล่าวคือถ้าเราทำการกลับค่าของ qbit ที่แทนด้วยโฟตอน 3000000 ครั้งเราจะประสบความสำเร็จในการกลับแค่ 2000000 ครั้งเท่านั้น (นี่เป็นค่าเชิงสถิติดังนั้นต้องมีกลุ่มตัวอย่างจำนวนมาก) ทั้งนี้เนื่องจากธรรมชาติของระบบทางควอนตัมที่มองว่า qubit คือ coherent superposition ของสถานะที่เป็นไปได้ 2 แบบของโฟตอนนั่นเอง (ตรงนี้ถ้าใครไม่รู้เรื่องก็ไปอ่านหนังสือ quantum หรืออ่าน link ที่ให้มาก็แล้วกัน) De Martini และทีมงานได้ใช้โฟตอนแทน qubit โดยเขาได้ยิงโฟตอนที่มีความถี่ในช่วงอุลตร้าไวโอเลตลงบนผลึกแบเรียมบอเรต ผลึกนี้ทำหน้าที่ในการแยกโฟตอนออกเป็น 2 ตัวที่มีความถี่ลดลง(ตามกฏการอนุรักษ์พลังงานเพราะความถี่น้อยลงนั่นคือพลังงานน้อยลง) คู่ของโฟตอนนี้ก็จะถูกผูกเข้าด้วยกัน(entangled) นั่นคือการวัดใดๆที่ทำต่อโฟตอนตัวหนึ่งจะส่งผลถึงโฟตอนอีกตัวหนึ่ง เช่นถ้าเราวัดทิศของโพลาไรเซชันของโฟตอนตัวหนึ่งเราจะรู้ทันทีว่าอีกตัวมีโพลาไรเซชันในอีกทิศทางหนึ่ง
De Martini และคณะได้วัดทิศของโพลาไรเซชันของโฟตอนที่แยกออกมาตัวหนึ่ง ส่วนอีกตัวก็จะถูกสะท้อนกลับไปสู่ผลึกชิ้นเดิมและสะท้อนออกไปสู่เครื่องตรวจจับอีกตัวผลที่ได้จะแทน NOT gate (ดูคำอธิบายเพิ่มเติมด้านล่าง) เขาทำซ้ำการทดลองนี้หลายๆรอบ(อย่าลืมว่าการวัดผลการทดลองนี้เป็นแบบ quantum mechanics ดังนั้นทุกอย่างที่วัดจะอยู่ในรูปของความน่าจะเป็น) และพบว่า 63 % ของผลการทดลองได้โฟตอน output มีทิศของโพลาไรเซชันตรงกันข้ามกับโฟตอน input ซึ่งถือว่าเป็นผลที่ดีมากเพราะผลการคำนวณทางทฤษฎีทำนายว่า 67% หรือ 2/3
นอกจากนี้คณะทดลองได้ทำการทดลองโดยแปรทิศทางของโฟตอน input ต่างๆกัน ถึงแม้การทดลองนี้ถือได้ว่าประสบความสำเร็จในการสร้าง NOT gate สำหรับการคำนวณแบบควอนตัมแต่ไม่แน่เสมอไปที่วิธีการใช้แสงแบบนี้สามารถใช้ได้จริงในทางปฏิบัติเพราะความซับซ้อนของเครื่องมือแต่อาจจะเหมาะกับการเข้ารหัสแบบควอนตัม (quantum cryptography) ที่ใช้แสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการนำสัญญาณแต่สัญญาณจะถูกเข้ารหัสไว้อย่างแน่นหนาเกินที่จะถอดได้ นี่เป็นสิ่งที่เราต้องรอดูต่อไปในอนาคต
โดยทั่วไปในวงจรอิเล็กทรอนิกส์หรือในคอมพิวเตอร์ปัจจุบันนั้น NOT gate คือส่วนของวงจรที่กลับค่าทางตรรกศาสตร์จาก 0 เป็น 1 หรือ จาก 1 เป็น 0 (กล่าวอีกอย่างคือจากเท็จเป็นจริง จริงเป็นเท็จ) ซึ่งค่า 0 หรือ 1 เรียกว่า bit สามารถแทนได้โดยอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์เช่นตัวเก็บประจุ เมื่อมีประจุเป็น 1 และเป็น 0 เมื่อไม่มีประจุ หรือการเปิดปิดวงจรในทรานซิสเตอร์ ฯลฯ เทคโนโลยีปัจจุบันสามารถเก็บข้อมูลหลายๆๆๆ bit ลงในอุกรณชิ้นเล็กๆเช่น chip ในคอมพิวเตอร์ซึ่งนับวันจะเล็กลงไปเรื่อยๆ คำถามคือว่าเราสามารถทำให้มันเล็กลงไปถึงแค่ไหน ประมาณ 20 กว่าปีที่แล้วที่มีผู้ตอบคำถามนี้ (หนึ่งในนั้นคือ Richard Feynman ที่เรารู้จักกันดีนั่นเอง) นั่นคือในทางทฤษฎีแล้วเราสามารถบันทึกข้อมูล 1 bit ได้ในระบบควอนตัมสองสถานะ(2-state quantum system) ตัวอย่างเช่นโฟตอน(อนุภาคของแสง)ที่มีทิศทางการโพลาไรซ์ในแนวดิ่งหรือแนวราบเทียบกับทิศการเคลื่อนที่, ระบบของอิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้นหรือลง ฯลฯ และเราเรียกหน่วยย่อยที่บันทึกข้อมูลในแบบนี้ว่า quantum bit หรือย่อๆว่า qubit นี่เป็นจุดกำเนิดของวิชา Quantum Computation ที่ประมาณกันว่าถ้าสามารถสร้างขึ้นมาได้จริงจะมีประสิทธิภาพกว่าคอมพิวเตอร์ในแบบปัจจุบัน (classical computer) อย่างเทียบกันไม่ติดเลย (สำหรับผู้สนใจสามารถอ่านรายละเอียดได้จากกระทู้เก่าๆดัง link ต่อไปนี้) โดยหลักการเราสามารถสร้าง quantum computer ได้โดยการสร้าง qubit และจับมันมารวมกันส่วนการคำนวณก็สามารถออกแบบวงจรตรรกที่ประกอบไปด้วย gate ต่างๆเช่น NOT, AND, OR มากระทำต่อ qubit เหล่านี้ อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่เรื่องยากแต่ยากมากๆ(เนื่องจาก quantum interference และ decoherence) ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงเริ่มต้นง่ายๆด้วยการสร้าง gate ที่ง่ายที่สุดก่อนคือ NOT gate
ในวงจรธรรมดาถ้าเราต้องการสร้าง NOT gate คือกลับค่าของ bit สามารถทำได้อย่างแน่นอนกล่าวคือเราจะเปลี่ยนค่าของ 1 bit จาก 1 เป็น 0 ได้โดยการเปิดหรือปิดวงจรเท่านั้นแต่ในการกลับค่าของ qbit จากการคำนวณทางทฤษฎีเราทำได้แค่ 2/3 กล่าวคือถ้าเราทำการกลับค่าของ qbit ที่แทนด้วยโฟตอน 3000000 ครั้งเราจะประสบความสำเร็จในการกลับแค่ 2000000 ครั้งเท่านั้น (นี่เป็นค่าเชิงสถิติดังนั้นต้องมีกลุ่มตัวอย่างจำนวนมาก) ทั้งนี้เนื่องจากธรรมชาติของระบบทางควอนตัมที่มองว่า qubit คือ coherent superposition ของสถานะที่เป็นไปได้ 2 แบบของโฟตอนนั่นเอง (ตรงนี้ถ้าใครไม่รู้เรื่องก็ไปอ่านหนังสือ quantum หรืออ่าน link ที่ให้มาก็แล้วกัน) De Martini และทีมงานได้ใช้โฟตอนแทน qubit โดยเขาได้ยิงโฟตอนที่มีความถี่ในช่วงอุลตร้าไวโอเลตลงบนผลึกแบเรียมบอเรต ผลึกนี้ทำหน้าที่ในการแยกโฟตอนออกเป็น 2 ตัวที่มีความถี่ลดลง(ตามกฏการอนุรักษ์พลังงานเพราะความถี่น้อยลงนั่นคือพลังงานน้อยลง) คู่ของโฟตอนนี้ก็จะถูกผูกเข้าด้วยกัน(entangled) นั่นคือการวัดใดๆที่ทำต่อโฟตอนตัวหนึ่งจะส่งผลถึงโฟตอนอีกตัวหนึ่ง เช่นถ้าเราวัดทิศของโพลาไรเซชันของโฟตอนตัวหนึ่งเราจะรู้ทันทีว่าอีกตัวมีโพลาไรเซชันในอีกทิศทางหนึ่ง
De Martini และคณะได้วัดทิศของโพลาไรเซชันของโฟตอนที่แยกออกมาตัวหนึ่ง ส่วนอีกตัวก็จะถูกสะท้อนกลับไปสู่ผลึกชิ้นเดิมและสะท้อนออกไปสู่เครื่องตรวจจับอีกตัวผลที่ได้จะแทน NOT gate (ดูคำอธิบายเพิ่มเติมด้านล่าง) เขาทำซ้ำการทดลองนี้หลายๆรอบ(อย่าลืมว่าการวัดผลการทดลองนี้เป็นแบบ quantum mechanics ดังนั้นทุกอย่างที่วัดจะอยู่ในรูปของความน่าจะเป็น) และพบว่า 63 % ของผลการทดลองได้โฟตอน output มีทิศของโพลาไรเซชันตรงกันข้ามกับโฟตอน input ซึ่งถือว่าเป็นผลที่ดีมากเพราะผลการคำนวณทางทฤษฎีทำนายว่า 67% หรือ 2/3
นอกจากนี้คณะทดลองได้ทำการทดลองโดยแปรทิศทางของโฟตอน input ต่างๆกัน ถึงแม้การทดลองนี้ถือได้ว่าประสบความสำเร็จในการสร้าง NOT gate สำหรับการคำนวณแบบควอนตัมแต่ไม่แน่เสมอไปที่วิธีการใช้แสงแบบนี้สามารถใช้ได้จริงในทางปฏิบัติเพราะความซับซ้อนของเครื่องมือแต่อาจจะเหมาะกับการเข้ารหัสแบบควอนตัม (quantum cryptography) ที่ใช้แสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการนำสัญญาณแต่สัญญาณจะถูกเข้ารหัสไว้อย่างแน่นหนาเกินที่จะถอดได้ นี่เป็นสิ่งที่เราต้องรอดูต่อไปในอนาคต
