บทความ | “พ.ศ.2568: หนึ่งศตวรรษควอนตัมโลก ครึ่งศตวรรษควอนตัมไทย” | #IYQ2025 & #ThaiYQ2025 | ศ.ดร.ชิดชนก เหลือสินทรัพย์ | #WorldQuantum100 #ThaiQuantum50 | #QuantumFuture #QuantumYear |

K Sripimanwat
3 วันที่ผ่านมา
ยาว 2 นาที

หนึ่งร้อยปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ด้านควอนตัมฟิสิกส์ได้พัฒนาแนวคิดและคำอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ เป็นจำนวนมาก เป็นความสำเร็จที่ชัดเจน แต่ก็ยังไม่สามารถนำมารวมกับทฤษฎีทางฟิสิกส์ของวัตถุที่เกินระดับอะตอมได้ แนวคิดหนึ่งที่น่าสนใจที่เกิดขึ้นในกลศาสตร์ควอนตัมสำหรับนักวิทยาศาสตร์ด้านวิทยาการคอมพิวเตอร์ก็คือ การใช้สถาปัตยกรรมของเครื่องคอมพิวเตอร์ที่สร้างบนแนวคิดของ Professor Alan Turing ประเภท deterministic Turing machine (DTM) มาจำลองปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในระดับอะตอมหรือต่ำกว่านั้น แนวคิดการจำลองปรากฏการณ์นี้เสนอโดย Professor Richard Feynman ในปี ค.ศ. 1981 เนื่องจากอนุภาคมีหลายค่าสถานะ ณ ขณะใดขณะหนึ่ง ดังนั้นการจำลองนี้จึงต้องแทนค่าสถานะของอนุภาคในระดับควอนตัมด้วยสมการคณิตศาสตร์ของความน่าจะเป็นของแต่ละสถานะ คุณลักษณะของอนุภาคนี้ทำให้ Professor Feynman กล่าวว่า

“Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical, and by golly it's a wonderful problem, because it doesn't look so easy.”

นี่หมายความว่า การจำลองปรากฏการณ์นี้ไม่ควรทำด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์ DTM ซึ่งสร้างบนแนวคิดของ Boolean Logic เพราะจำนวนค่าสถานะมีจำนวนมหาศาล

ในขณะที่งานวิจัยด้านควอนตัมฟิสิกส์มีความก้าวหน้าทั้งทางทฤษฎีและการพัฒนาวงจรเพื่อสร้างสถานะร่วมของอนุภาคระดับควอนตัม งานวิจัยด้านทฤษฎีการคำนวณของเครื่องคอมพิวเตอร์และแนวคิดของความฉลาดประดิษฐ์ (artificial intelligence) ก็ได้เริ่มในช่วงเกือบ 100 ปีที่ผ่านมา ทั้งนี้ Professor Alan Turing และ Professor Alonzo Church ได้ศึกษาระยะเวลาการแก้ปัญหาที่สามารถแก้ได้ด้วยเครื่องที่ Professor Turing และพบว่าระยะเวลาการปัญหาใด ๆ สามารถแบ่งเป็น 2 กลุ่มคือ ระยะเวลาที่เป็น polynomial และ ระยะเวลาที่เป็น non-polynomial เช่น ระยะเวลาที่เป็น exponential และ factorial

เพื่อลดระยะเวลาของการแก้ปัญหาในกลุ่มระยะเวลา non-polynomial ให้กลายเป็นระยะเวลาที่เป็น polynomial ได้ อาจารย์ Turing ได้เสนอเครื่องอีกประเภทที่มีการเดาสถานะถัดไปของเครื่องที่เรียกว่า non-deterministic Turing machine (NDTM) เครื่องอาจเดาคำตอบถูกในครั้งแรกก็ได้ อย่างไรก็ตาม Professor Turing ไม่ได้กล่าวถึง วิธีการเดาเพื่อให้ได้คำตอบที่ต้องการ ภายใต้จำนวนครั้งของการเดาที่เป็น polynomial อีกปัญหาหนึ่งที่เกี่ยวกับเครื่อง NDTM ก็คือ จะเดาจริงได้อย่างไร เพราะการเดาโดยเครื่องคอมพิวเตอร์ต้องอาศัยฟังก์ชั่นคณิตศาสตร์ที่มีรูปแบบแน่นอน

แนวคิดการจำลองค่าสถานะของอนุภาคโดยใช้สมการความน่าจะเป็น นำไปสู่งานวิจัยสาขาใหม่ทางด้านการประยุกต์สถานะควอนตัมของอนุภาคมาช่วยคำนวณในปัญหาต่างๆ ซึ่งเรียกว่า การคำนวณแบบควอนตัม (quantum computing) แต่ละอนุภาคจะเรียกว่า ควอนตัมบิท วิธีการคำนวณแนวนี้ ทำให้เราสามารถใช้สถานะของอนุภาคหลายอนุภาคแทนคำตอบของปัญหาที่ต้องการแก้โดยการเดาคำตอบ แนวคิดนี้ชัดเจนว่าเป็นไปได้ว่าเครื่องแบบ NDTM สามารถสร้างได้จริง อย่างไรก็ตาม ถึงแม้ว่าการคำนวณแบบควอนตัมสามาถให้คำตอบที่ใช้เวลาน้อยลงได้โดยการเดาคำตอบ แต่การคำนวณแบบควอนตัมต้องอาศัยควอนตัมเกท (quantum gate) แต่ละเกทคือเมทริกซ์ที่ใช้คำนวณเพื่อเปลี่ยนค่าสถานะของควอนตัมบิท ในรูปของการคำนวณแบบเมทริกซ์และเวคเตอร์ เมทริกซ์มีขนาด exponential ซึ่งขนาดใหญ่มากเมื่อมีจำนวนอนุภาคเพิ่มขึ้น

งานวิจัยด้านการคำนวณแบบควอนตัมสามารถนำไปประยุกต์กับงานอุตสาหกรรมหลายประเภท และยังใช้งบวิจัยต่ำ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับประเทศที่งบประมาณของประเทศไม่สูงมาก อย่างไรก็ตามงานวิจัยการคำนวณควอนตัมไปช้ากว่างานวิจัยทางด้านการสร้างวงจรควอนตัม แต่ก็ต้องดำเนินต่อไปและต้องนำไปช่วยเพิ่มความเร็วของการเรียนรู้ของเครื่องคอมพิวเตอร์ในสาขา artificial intelligence เพื่อให้ประเทศไทยสามารถพึ่งตนเองได้ทั้งหมดในงานวิจัยด้านการคำนวณควอนตัมและ artificial intelligence นี้ อันจะนำไปสู่ความสามารถในการแข่งขันในระดับโลกได้อย่างเต็มที่

ศ.ดร.ชิดชนก เหลือสินทรัพย์

ราชบัณฑิต

(เมษายน ๒๕๖๘)