โรดแมปควอนตัมคอมพิวติ้ง

ย้อนกลับไปในปี 2512 มนุษย์ได้เอาชนะอุปสรรคทางเทคโนโลยีที่ไม่เคยมีมาก่อน เพื่อสร้างประวัติศาสตร์หน้าใหม่ในการส่งมนุษย์ขึ้นไปบนดวงจันทร์และพาพวกเขากลับมาอย่างปลอดภัย คอมพิวเตอร์ในยุคปัจจุบันนั้นมีความสามารถ แต่แน่นอนว่าคอมพิวเตอร์เหล่านี้ยังมีความสามารถไม่เพียงพอสำหรับการจับรายละเอียดที่เล็กที่สุดของจักรวาลไว้ได้อย่างถูกต้อง

การสร้างอุปกรณ์ที่สามารถบันทึกพฤติกรรมของอะตอมได้อย่างแท้จริงและสามารถควบคุมพฤติกรรมเหล่านั้นเพื่อแก้ปัญหาที่ท้าทายที่สุดในยุคของเรา อาจเป็นไปไม่ได้หากเรายังจำกัดตัวเองอยู่ในโลกคอมพิวเตอร์ที่เรารู้จักเท่านั้น ไอบีเอ็มมีเป้าหมายสูงสุดในการเข้าถึงอาณาเขตที่เกินกว่าที่จะทำได้ด้วยคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก ด้วยการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ที่จะเข้ามารับช่วงต่อสำหรับงานที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกไม่อาจทำได้ อย่างการควบคุมพฤติกรรมของอะตอมเพื่อเรียกใช้แอพพลิเคชันที่ปฏิวัติวงการในทุกๆ อุตสาหกรรม หรือการสร้างวัสดุที่จะนำสู่การเปลี่ยนแปลงรูปแบบการใช้ชีวิตและทำธุรกิจของเราในทุกวันนี้

โรดแมปนี้จะพาเราออกไปจากการใช้อุปกรณ์ที่มีเสียงดังและทำงานได้ในวงจำกัดในปัจจุบัน ไปสู่การใช้อุปกรณ์ที่มีคิวบิตตั้งแต่หนึ่งล้านคิวบิตขึ้นไปในอนาคต โดยทีมงานของไอบีเอ็มกำลังพัฒนาชุดของโปรเซสเซอร์ที่สามารถเพิ่มขนาดการใช้งานได้ และมีความสามารถในการประมวลผลที่มากขึ้นเรื่อยๆ ด้วยอุปกรณ์ที่มีคิวบิตตั้งแต่ 1,000 ขึ้นไปที่มีชื่อว่า IBM Quantum Condor โดยคาดว่าจะแล้วเสร็จภายในสิ้นปี 2566 นอกจากนี้ไอบีเอ็มกำลังพัฒนาตู้ลดอุณหภูมิแบบเจือจางความร้อนด้วยฮีเลียมเหลว (Dilution refrigerator) ที่มีขนาดใหญ่กว่าเครื่องที่มีในปัจจุบัน เพื่อให้สามารถบรรจุเครื่องที่มีขนาดใหญ่หรืออาจใหญ่กว่า Condor ได้ โรดแมปนี้จะนำสู่อนาคตแห่งโปรเซสเซอร์ที่มีความสามารถในการประมวลผลตั้งแต่หนึ่งล้านคิวบิตขึ้นไป ในขณะเดียวกัน ยังมีโรดแมปด้านฮาร์ดแวร์ในการออกแบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบฟูลสแต็กที่ติดตั้งใช้จริงผ่านระบบคลาวด์ ที่จะเปิดคนทั่วโลกสามารถเข้ามาใช้งานได้

สมาชิกของทีม IBM Quantum กำลังตรวจสอบวิธีการควบคุมระบบขนาดใหญ่ที่มีจำนวนคิวบิตเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ให้ได้นานมากพอและมีข้อผิดพลาดเพียงเล็กน้อย เพื่อดำเนินการคำนวณที่ซับซ้อนซึ่งจำเป็นสำหรับการประยุกต์ใช้งานควอนตัมในอนาคต (เครดิต: Connie Zhou for IBM)

ทีม IBM Quantum ได้สร้างโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่ใช้หลักคณิตศาสตร์ของอนุภาคมูลฐาน (elementary particle) เพื่อขยายขีดความสามารถในการคำนวณ โดยใช้วงจรควอนตัมแทนที่จะเป็นวงจรตรรกะของดิจิทัลคอมพิวเตอร์ทั่วไป แสดงข้อมูลโดยใช้สภาวะควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมจำลอง (Artificial atom) ที่เรียกว่าคิวบิตทรานสมอนนำไฟฟ้ายิ่งยวด (superconducting transmon qubit) ซึ่งจะเชื่อมต่อและควบคุมการทำงานตามลำดับของคลื่นไมโครเวฟเพื่อเรียกใช้วงจรเหล่านี้ แต่เนื่องด้วยคิวบิตจะลืมสถานะควอนตัมของตนเองอย่างรวดเร็วเมื่อมีการปฏิสัมพันธ์กับโลกภายนอก ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่ทีมงานของเรากำลังเผชิญอยู่ในทุกวันนี้ก็คือ การหาวิธีควบคุมระบบขนาดใหญ่ของคิวบิตเหล่านี้ให้ได้นานมากพอและมีข้อผิดพลาดเพียงเล็กน้อยเพื่อที่จะรันวงจรควอนตัมอันซับซ้อนซึ่งจำเป็นสำหรับการประยุกต์ใช้งานควอนตัมในอนาคต

ไอบีเอ็มได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับคิวบิตนำไฟฟ้ายิ่งยวดมาตั้งแต่กลางทศวรรษ 2000 ในช่วงต้นทศวรรษ 2010 ไอบีเอ็มประสบความสำเร็จในการเพิ่มเวลาที่อะตอมจะคงอยู่ในสถานะเดิม (coherence time) และลดข้อผิดพลาดเพื่อให้อุปกรณ์หลายคิวบิตใช้งานได้ การพัฒนาและความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในทุกๆ ระดับของระบบดังกล่าวตั้งแต่คิวบิตไปจนถึงคอมไพเลอร์ ทำให้ไอบีเอ็มสามารถนำคอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องแรกขึ้นสู่ระบบคลาวด์ได้ในปี พ.ศ. 2559 จนปัจจุบันมีควอนตัมที่มีความเสถียรมากกว่า 24 ระบบบน IBM Cloud ที่เปิดให้ลูกค้าและบุคคลทั่วไปได้ทดลองใช้ รวมถึง IBM Quantum Canary 5 คิวบิต และ IBM Quantum Falcon 27 คิวบิต ซึ่งหนึ่งในนั้นเป็นโปรเซสเซอร์ที่พึ่งจะนำมารันวงจรควอนตัมที่นานมากพอที่จะประกาศเป็น Quantum Volume ระดับ 64 ความสำเร็จในครั้งนี้ไม่ใช่เรื่องของการเพิ่มจำนวนคิวบิตให้มากขึ้น แต่เราได้รวมการปรับปรุงคอมไพเลอร์ พัฒนาการเทียบวัด gates ขนาดสองคิวบิต และอัพเกรดการจัดการสัญญาณรบกวนและการอ่านค่าตามการบิดของคลื่นไมโครเวฟ ทั้งหมดนี้คือฮาร์ดแวร์ที่มีตัวชี้วัดอุปกรณ์ชั้นนำระดับโลกที่เชื่อถือได้ ที่สรรค์สร้างขึ้นด้วยกระบวนการที่ไม่เหมือนใคร

ในเดือนนี้ ไอบีเอ็มยังได้เปิดตัวโปรเซสเซอร์ IBM Quantum Hummingbird 65 คิวบิตอย่างเงียบๆ ในหมู่สมาชิก IBM Q Network เครื่องดังกล่าวมีคุณสมบัติในการอ่านข้อมูลแบบมัลติเพล็กซ์ 8:1 ซึ่งหมายความสามารถรวมสัญญาณการอ่านข้อมูลจากแปดคิวบิตให้เป็นหนึ่ง ช่วยลดจำนวนการเดินสายไฟและส่วนประกอบทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการอ่านข้อมูล และปรับปรุงความสามารถในการขยายการใช้งาน ในขณะที่ยังคงรักษาสมรรถนะการทำงานระดับสูงทั้งหมดจากโปรเซสเซอร์รุ่น Falcon เอาไว้ได้ ไอบีเอ็มได้ลดเวลาแฝงในการประมวลผลสัญญาณในระบบควบคุมที่เกี่ยวข้องลงอย่างมาก เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับความสามารถในการป้อนกลับและระบบ feed-forward ที่กำลังจะเกิดขึ้น ซึ่งจะทำให้สามารถควบคุมคิวบิตตามเงื่อนไขแบบคลาสสิกในขณะที่วงจรควอนตัมทำงาน

ในปีหน้าไอบีเอ็มจะเปิดตัวโปรเซสเซอร์ IBM Quantum Eagle ขนาด 127 คิวบิต โดย Eagle มีการอัพเกรดหลายอย่างเพื่อที่จะก้าวข้ามเป้าหมาย 100 คิวบิต โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การอัพเกรดผ่านการเชื่อมต่อระหว่างกันแบบ through-silicon vias (TSVs) และการเดินสายหลายระดับ ซึ่งจะช่วยให้สามารถ fan-out สัญญาณการควบคุมแบบคลาสสิกที่มีความหนาแน่นสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ปกป้องคิวบิตในเลเยอร์ที่แยกส่วนกันเพื่อรักษาเวลาในการเชื่อมโยงในระดับสูง ในขณะเดียวกัน เราได้พบกับสมดุลที่ละเอียดอ่อนของการเชื่อมต่อและการลดข้อผิดพลาดของสัญญาณแทรกข้าม (crosstalk) ด้วยการใช้วิธีความถี่คงที่กับ gates ขนาดสองคิวบิต และการจัดเรียงคิวบิตหกเหลี่ยมที่ Falcon นำมาใช้ การจัดเรียงคิวบิตในลักษณะนี้จะช่วยให้เราสามารถใช้โค้ดแก้ไขข้อผิดพลาด “heavy-hexagonal” ที่เราได้เริ่มพัฒนาขึ้นเมื่อปีที่แล้ว ดังนั้น เมื่อเราเพิ่มจำนวนคิวบิตทางกายภาพ เราจะสามารถศึกษาได้ว่าคิวบิตเหล่านั้นทำงานร่วมกันอย่างไรในฐานะคิวบิตเชิงตรรกะที่ได้รับการปรับแก้ไขข้อผิดพลาด โดยไอบีเอ็มคำนึงถึงความทนทานต่อสัญญาณรบกวน (fault tolerance) ในโปรเซสเซอร์ทุกตัวที่ได้ออกแบบ

โปรเซสเซอร์ Eagle ยังจะมาพร้อมกับความสามารถในการประมวลผลพร้อมกันแบบคลาสสิกและเรียลไทม์ ที่จะช่วยให้สามารถสั่งการชุดวงจรควอนตัมและโค้ดต่างๆ ได้ในวงกว้างมากขึ้น

หลักการออกแบบสำหรับโปรเซสเซอร์ที่มีขนาดเล็กลงมาที่ไอบีเอ็มได้จัดทำขึ้น จะช่วยให้เราสามารถเปิดตัวระบบ IBM Quantum Osprey ขนาด 433 คิวบิตได้ในปี 2565 การควบคุมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและหนาแน่นยิ่งขึ้น รวมถึงโครงสร้างพื้นฐานแบบเยือกแข็ง ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการเพิ่มขนาดโปรเซสเซอร์จะไม่ทำให้ประสิทธิภาพของคิวบิตแต่ละคิวบิตลดลงไปแต่อย่างใด และไม่ทำให้เกิดแหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนเพิ่มเติม หรือใช้พื้นที่ขนาดใหญ่จนเกินไป

ในปี พ.ศ. 2566 ไอบีเอ็มจะเปิดตัวโปรเซสเซอร์ IBM Quantum Condor ขนาด 1,121 คิวบิต โดยได้นำเอาบทเรียนที่ได้เรียนรู้จากโปรเซสเซอร์รุ่นก่อนหน้ามารวมไว้ในโปรเซสเซอร์รุ่นนี้ รวมถึงลดข้อผิดพลาดที่สำคัญของสองคิวบิต เพื่อให้สามารถรันวงจรควอนตัมได้นานขึ้น ไอบีเอ็มมองว่า Condor คือจุดเปลี่ยนซึ่งเป็นก้าวสำคัญที่แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการแก้ error ต่างๆ และขยายการใช้งานของเครื่อง ในขณะเดียวกันก็มีความซับซ้อนมากพอที่จะทำให้เราสามารถศึกษาเกี่ยวกับ Quantum Advantage หรือปัญหาที่เราสามารถแก้ไขได้อย่างมีประสิทธิภาพบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม มากกว่าบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ระดับโลกในปัจจุบัน

โรดแมปของไอบีเอ็มในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม (เครดิต: StoryTK for IBM)

การพัฒนาที่จำเป็นสำหรับการสร้าง Condor จะช่วยแก้ปัญหาความท้าทายที่เร่งด่วนที่สุดที่ จำเป็นต่อการขยายศักยภาพของคอมพิวเตอร์ควอนตัม อย่างไรก็ตาม ในขณะที่เราเริ่มก้าวไกลเกินกว่าขอบเขตของหลักพันคิวบิตนั้น ตู้ลดอุณหภูมิแบบเจือจางความร้อนด้วยฮีเลียมเหลวที่มีในปัจจุบันจะไม่สามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ หรือแยกส่วนอุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อนได้อีกต่อไป

นั่นคือเหตุผลที่นำสู่ “Super-Fridge” ที่มีขนาดสูง 10 ฟุตและกว้าง 6 ฟุต ที่มีโค้ดเนมภายในว่า “Goldeneye” ซึ่งเป็นตู้ลดอุณหภูมิแบบเจือจางความร้อนด้วยฮีเลียมเหลวที่มีขนาดใหญ่กว่าเครื่องในปัจจุบัน ทีมงานไอบีเอ็มได้ออกแบบตู้ลดอุณหภูมิขนาดมหึมานี้ โดยคำนึงถึงระบบที่มีหนึ่งล้านคิวบิต และได้เริ่มการทดสอบความเป็นไปได้ขั้นพื้นฐานไปแล้ว ในท้ายที่สุด ไอบีเอ็มมองเห็นอนาคตที่การเชื่อมต่อระหว่างระบบควอนตัมกับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก (quantum interconnect) จะเชื่อมโยงกับตู้ลดอุณหภูมิแบบเจือจางความร้อนด้วยฮีเลียมเหลว ซึ่งแต่ละตัวจะมีถึงหนึ่งล้านคิวบิต เหมือนอย่างที่ระบบอินทราเน็ตเชื่อมโยงกับโปรเซสเซอร์ของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ซึ่งจะทำให้เกิดคอมพิวเตอร์ควอนตัมคู่ขนานขนาดใหญ่ที่สามารถเปลี่ยนแปลงโลกได้

การรู้หนทางในการก้าวไปข้างหน้าไม่ได้ทำให้อุปสรรคหมดไป แต่กลับทำให้เราเผชิญกับความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์แห่งความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี แต่ด้วยวิสัยทัศน์ที่ชัดเจนของไอบีเอ็ม ประกอบกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบ fault-tolerant นี้ จะทำให้เป้าหมายดังกล่าวสามารถสำเร็จได้ภายในทศวรรษหน้า