คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะถูกสร้างเหมือนเลโก้

ตามแนวคิดนี้ นักวิทยาศาสตร์จะเชื่อมต่อบล็อกคิวบิตผ่านอุปกรณ์ที่มีโปรโตคอล "เสียบแล้วใช้งานได้ทันที" เช่น การประกอบชิ้นส่วนเลโก้เพื่อสร้างเป็นรูปร่าง

Báo Khoa học và Đời sống•08/09/2025

คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำการคำนวณโดยอาศัยหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม และคาดว่าจะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกในงานการเพิ่มประสิทธิภาพและการประมวลผลบางประเภท

แม้ว่านักฟิสิกส์และวิศวกรจะได้สาธิตระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมต่างๆ มากมายในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา แต่การปรับขนาดระบบเหล่านี้ให้เชื่อถือได้เพื่อให้สามารถแก้ปัญหาในทางปฏิบัติได้พร้อมกับแก้ไขข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นระหว่างการคำนวณยังคงเป็นความท้าทาย

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — การเชื่อมโยงคิวบิตภายในคอมพิวเตอร์ควอนตัมยังคงเป็นปัญหา

การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมให้เป็นอุปกรณ์รวมศูนย์ตัวเดียวนั้นพิสูจน์แล้วว่าเป็นเรื่องยากอย่างยิ่ง เครื่องจักรเหล่านี้ต้องอาศัยการจัดการคิวบิตหลายล้านหน่วย ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานของข้อมูลควอนตัม แต่การรวบรวมตัวเลขจำนวนมากเช่นนี้ไว้ในระบบเดียวถือเป็นความท้าทายอย่างยิ่ง

ในขณะที่บล็อก LEGO ขนาดเล็กสามารถนำมาต่อกันเพื่อสร้างการออกแบบที่ใหญ่และซับซ้อนยิ่งขึ้น นักวิจัยก็สามารถสร้างโมดูลขนาดเล็กที่มีคุณภาพสูงกว่าได้ จากนั้นจึงเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเพื่อสร้างระบบควอนตัมที่สมบูรณ์

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์แบนา-แชมเปญ เพิ่งเปิดตัวสถาปัตยกรรมควอนตัมแบบโมดูลาร์ใหม่ ซึ่งช่วยให้สามารถปรับขนาดโปรเซสเซอร์ควอนตัมตัวนำยิ่งยวด (superconducting quantum processors) ให้มีความทนทานต่อความผิดพลาด ปรับขนาดได้ และกำหนดค่าใหม่ได้ การปรับสเกลแบบทนทานต่อความผิดพลาดเป็นสิ่งสำคัญต่อการรักษาผลกระทบของควอนตัมและเงื่อนไขที่จำเป็นต่อการคำนวณควอนตัมระยะยาว

โปรโตคอลสายเคเบิลเชื่อมต่อจะเชื่อมโยงบล็อกคิวบิตเข้าด้วยกันเหมือนกับอิฐเลโก้

ระบบที่พวกเขาเสนอ ซึ่งนำเสนอในเอกสารที่ตีพิมพ์ใน วารสาร Nature Electronics ประกอบด้วยโมดูลหลายตัว (เช่น อุปกรณ์คิวบิตตัวนำยิ่งยวด) ที่สามารถทำงานได้อย่างอิสระ และเชื่อมต่อกับโมดูลอื่น ๆ ผ่านอินเตอร์คอนเนกต์ และสร้างเครือข่ายควอนตัมที่ใหญ่ขึ้น

พูดง่ายๆ ก็คือ ด้วยการเชื่อมต่อเหล่านี้ แต่ละคิวบิตในระบบจะต้องเป็นแบบ "plug and play" เหมือนกับที่เราเพิ่มอุปกรณ์ต่อพ่วงเข้ากับคอมพิวเตอร์ทั่วไป สายเชื่อมต่อประเภทนี้ยังช่วยลดข้อผิดพลาดในการคำนวณของระบบให้เหลือน้อยกว่า 1% อีกด้วย

“จุดเริ่มต้นของการวิจัยนี้คือความเข้าใจในปัจจุบันในสาขาการประมวลผลควอนตัมแบบตัวนำยิ่งยวดว่าเราจะต้องแยกโปรเซสเซอร์ออกเป็นอุปกรณ์อิสระหลายตัว ซึ่งเป็นแนวทางที่เราเรียกว่า ‘การประมวลผลควอนตัมแบบแยกส่วน’” วูล์ฟกัง พฟาฟฟ์ ผู้เขียนร่วมของการศึกษานี้อธิบาย

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความเชื่อนี้กลายเป็นที่นิยม และแม้แต่บริษัทอย่าง IBM เองก็กำลังดำเนินการตามความเชื่อนี้ งานวิจัยนี้อาจนำไปสู่การเชื่อมโยงทางวิศวกรรมกับแนวทางแบบโมดูลาร์ได้

โดยพื้นฐานแล้ว Pfaff และเพื่อนร่วมงานกำลังคิดค้นกลยุทธ์เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์ควอนตัม โดยลดการสูญเสียสัญญาณหรือพลังงานให้น้อยที่สุดเมื่อมีการส่งข้อมูลควอนตัมระหว่างอุปกรณ์ นอกจากนี้ พวกเขายังต้องการให้สามารถเชื่อมต่อ ตัดการเชื่อมต่อ และกำหนดค่าอุปกรณ์ใหม่ได้อย่างง่ายดาย

“หากพูดแบบง่ายๆ วิธีการของเราเกี่ยวข้องกับการใช้สายโคแอกเซียลตัวนำยิ่งยวดคุณภาพสูงที่เรียกว่าบัสเรโซเนเตอร์” Pfaff อธิบาย

พวกเขาเชื่อมต่อคิวบิตแบบจุเข้ากับสายเคเบิลผ่านขั้วต่อแบบกำหนดเอง โดยวางสายเคเบิลไว้ใกล้กับคิวบิตมาก (ความแม่นยำระดับซับมิลลิเมตร) จากนั้นจึงวางคิวบิตหลายตัวหากเชื่อมต่อกับสายเคเบิลเส้นเดียวกัน

แนวทางใหม่ของนักวิจัยในการสร้างเครือข่ายควอนตัมแบบโมดูลาร์มีข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือแนวทางก่อนหน้าในการปรับขนาดระบบควอนตัม

ในการทดสอบเบื้องต้น พวกเขาพบว่าวิธีนี้ช่วยให้สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ควอนตัมที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดได้อย่างปลอดภัย และตัดการเชื่อมต่อในภายหลังโดยไม่ทำให้อุปกรณ์เสียหาย และไม่ทำให้เกิดการสูญเสียสัญญาณอย่างมีนัยสำคัญในเกตควอนตัม

“ด้วยแนวทางของเรา ผมคิดว่าเรามีโอกาสที่จะสร้างระบบควอนตัมที่สามารถกำหนดค่าใหม่ได้ตั้งแต่เริ่มต้น โดยมีตัวเลือก เช่น 'เสียบ' โมดูลโปรเซสเซอร์เพิ่มเติมเข้าไปในเครือข่ายของอุปกรณ์ควอนตัมในช่วงเวลาหนึ่ง” Pfaff กล่าวเสริม

ขณะนี้เรากำลังออกแบบเพื่อดูว่าเราจะสามารถเพิ่มจำนวนองค์ประกอบที่เชื่อมต่อกัน เพื่อทำให้เครือข่ายของเราใหญ่ขึ้นได้หรือไม่ นอกจากนี้ เรายังกำลังพิจารณาหาวิธีชดเชยการสูญเสียในระบบให้ดีขึ้น และทำให้สถาปัตยกรรมเข้ากันได้กับการแก้ไขข้อผิดพลาดเชิงควอนตัมอีกด้วย