Google ทลายคอขวดควอนตัมสำเร็จ ลดข้อผิดพลาดได้ถึง 40 เท่า

Google Quantum AI ประกาศความสำเร็จในการทลายคอขวดสำคัญของวงการควอนตัมคอมพิวติ้ง โดยพิสูจน์ให้เห็นว่าเทคนิค “magic state cultivation” สามารถใช้งานได้จริงบนตัวประมวลผล Willow ซึ่งช่วยลดข้อผิดพลาดลงได้ประมาณ 40 เท่าเมื่อเทียบกับสถานะปกติ ความก้าวหน้าครั้งนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science และถือเป็นก้าวสำคัญสู่การขยายขนาดควอนตัมคอมพิวติ้งเพื่อใช้งานจริงในอนาคต

คอขวดของ "magic state"

นับตั้งแต่ปี 2004 นักวิจัยได้คาดการณ์ถึงอุปสรรคสำคัญในการสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์แบบ "สากล" (universal) ที่รันโปรแกรมซับซ้อนได้ ซึ่งจำเป็นต้องใช้ชุดการดำเนินการทางควอนตัมเฉพาะเจาะจงที่เรียกว่า "magic states" เพื่อก้าวข้ามขีดจำกัดของคอมพิวเตอร์ดั้งเดิม พร้อมไปกับการทำ error-correct เพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดไปพร้อมกัน

อย่างไรก็ตาม การสร้าง magic states ที่มีคุณภาพสูงต้องใช้ทรัพยากรมหาศาล โดยการประมาณการระบุว่าอาจต้องใช้ความจุของเครื่องถึง 95% เพียงเพื่อสร้างสถานะเหล่านี้ขึ้นมา ทำให้เหลือพื้นที่สำหรับการคำนวณจริงเพียงเล็กน้อย นอกจากนี้ magic state ยังเป็นทรัพยากรที่ใช้แล้วหมดไป ไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ นักวิจัยจึงพยายามหาทางลดต้นทุนนี้มาตลอด 20 ปี

ความสำเร็จในการเพาะบ่มสถานะควอนตัม

ในปี 2024 ทีมวิจัยนำโดย Craig Gidney, Noah Shutty และ Cody Jones ได้พัฒนาแนวคิด “magic state cultivation” ที่ทำหน้าที่เสมือนตัวกรอง โดยการฉีดสถานะที่มีสัญญาณรบกวน (noisy state) เข้าไปในพื้นที่ขนาดเล็กบนชิป แล้วรันชุดการวัดผลเพื่อกำจัดจุดที่บกพร่องออกไป กระบวนการนี้ช่วยให้สามารถ "เพาะบ่ม" สถานะควอนตัมที่บริสุทธิ์และมีข้อผิดพลาดต่ำเป็นพิเศษเพื่อนำไปใช้งานต่อได้

ในการทดสอบช่วงแรก Emma Rosenfeld นักวิทยาศาสตร์วิจัยพบข้อมูลที่ดูขัดกับหลักฟิสิกส์ ซึ่งภายหลังพบว่าเกิดจากสัญญาณรบกวนในห้องแล็บ เช่น การผันผวนของอุณหภูมิที่รบกวนการทดสอบเกณฑ์มาตรฐาน (benchmark) ทีมงานจึงต้องปรับปรุงทั้งทางทฤษฎีและวิศวกรรม โดยเพิ่มการควบคุมพิเศษและประดิษฐ์เทคนิคการทดสอบใหม่ที่ใช้การเพาะบ่มเป็นเครื่องมือวัดผลในตัวเอง

ผลลัพธ์จากนวัตกรรมบนตัวประมวลผล Willow ของ Google Quantum AI ประสบความสำเร็จในการลดข้อผิดพลาดลงได้ถึง 40 เท่า และบรรลุระดับความเที่ยงตรงเชิงตรรกะ (logical fidelity) ของ T-states ที่สูงเป็นประวัติการณ์ถึง 99.99% ซึ่งเป็นการพิสูจน์บนฮาร์ดแวร์จริงว่าเราสามารถสร้าง magic states ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ก้าวต่อไปสู่อนาคต

ทีมวิจัยยังได้พิสูจน์ความเข้ากันได้ของสถาปัตยกรรม โดยสามารถสลับการใช้งานระหว่าง “color codes” (การแก้ข้อผิดพลาดแบบใหม่) และ “surface codes” (วิธีมาตรฐาน) ผ่านการต่อกราฟต์ (grafting) สถานะได้อย่างราบรื่น ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสถานะที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์สามารถส่งผ่านภายในฮาร์ดแวร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แม้ว่าจะยังต้องมีการสาธิตในสเกลที่ใหญ่ขึ้นเพื่อให้ใช้งานได้จริงในระดับอุตสาหกรรม แต่ความสำเร็จนี้ได้เปลี่ยนทฤษฎีให้กลายเป็นความจริงที่พิสูจน์ได้ และทำให้เป้าหมายของ Google Quantum AI ในการสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่แก้ปัญหาที่ซับซ้อนที่สุดของโลกขยับใกล้ความจริงไปอีกขั้น