Google Quantum AI เผยชิป Willow เร็วกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ 13,000 เท่า หนุนพัฒนายาและวัสดุศาสตร์ มุ่งสู่ใช้งานเชิงพาณิชย์ใน 5 ปี

Google Quantum AI ได้เผยถึงผลงานวิจัยล่าสุดที่แสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถประมวลผลอัลกอริทึมที่สามารถพิสูจน์ยืนยันได้บนฮาร์ดแวร์จริงได้สำเร็จ ซึ่งถือเป็นความสามารถที่เหนือกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมที่เร็วที่สุดในโลก โดยผลลัพธ์จากการทดสอบระบุว่าอัลกอริทึมดังกล่าวมีความเร็วเหนือกว่าถึง 13,000 เท่า

ความแตกต่างพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ได้อยู่ที่ความเร็วเพียงอย่างเดียว แต่อยู่ที่วิธีการประมวลผลที่แตกต่างโดยสิ้นเชิง เนื่องจากปัญหาในการค้นพบยาและวัสดุศาสตร์ล้วนเกี่ยวข้องกับพฤติกรรมระดับโมเลกุล ซึ่งคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมทำได้เพียงการประมาณค่า

แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถจำลองพฤติกรรมระดับโมเลกุลได้โดยตรง ทำให้การใช้ประโยชน์จากคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อการค้นพบใหม่ๆ ในด้านการแพทย์และวัสดุศาสตร์ขยับเข้าใกล้ความเป็นจริงมากยิ่งขึ้น

ความก้าวหน้านี้ไม่เพียงแต่เป็นการโชว์ศักยภาพในการคำนวณโครงสร้างของโมเลกุลที่ซับซ้อน แต่ยังเป็นการปูทางไปสู่การประยุกต์ใช้งานจริง Hartmut Neven ผู้ก่อตั้งและหัวหน้าทีม และ Vadim Smelyanskiy ผู้อำนวยการฝ่าย Quantum Pathfinding ของ Google Quantum AI ระบุว่า ความสำเร็จในวันนี้เป็นผลสืบเนื่องมาจากความมุ่งมั่นในการวิจัยและพัฒนาอย่างยาวนาน โดยเฉพาะความก้าวหน้าในช่วง 6 ปีที่ผ่านมา

เริ่มต้นจากการประกาศความสำเร็จในปี 2019 ที่แสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถแก้ปัญหาที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์อาจต้องใช้เวลานานนับพันปี มาจนถึงช่วงปลายปี 2024 กับการเปิดตัวชิปควอนตัมรุ่นใหม่ในชื่อ ‘Willow’ ที่แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการลดข้อผิดพลาดต่างๆ ได้ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้ทีมวิจัยสามารถแก้ปัญหาทางวิทยาศาสตร์ที่ท้าทายมาเกือบ 30 ปีได้สำเร็จ

การลดอัตราข้อผิดพลาดนี้เองที่เป็นรากฐานสำคัญที่ทำให้การใช้ประโยชน์จากคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อการค้นพบใหม่ๆ ในด้านการแพทย์และวัสดุศาสตร์ ขยับเข้าใกล้ความเป็นจริงมากยิ่งขึ้น Google Quantum AI เปรียบเทียบความแม่นยำนี้ว่า หากเราพยายามค้นหาเรือที่จมอยู่ใต้ก้นมหาสมุทร เทคโนโลยีแบบเดิมอย่างโซนาร์อาจให้ภาพที่เบลอและบอกได้เพียงคร่าวๆ ว่ามีซากเรืออยู่ตรงนั้น

แต่เทคโนโลยีใหม่บนชิป Willow เปรียบเสมือนการที่เราไม่เพียงแค่หาเรือเจอ แต่สามารถดำลงไปอ่านป้ายชื่อบนเรือลำนั้นได้อย่างชัดเจน นี่คือระดับความแม่นยำที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนในการประมวลผลอัลกอริทึม ความก้าวหน้าล่าสุดนี้ถูกตีพิมพ์ลงในวารสาร Nature โดยชิปควอนตัม Willow ได้รันอัลกอริทึมตัวชี้วัดความโกลาหล หรือ Out-of-time-order Correlator (OTOC)

ทางทีมวิจัยเรียกกระบวนการนี้ว่า ‘Quantum Echoes’ หลักการทำงานของเทคนิคนี้มีความซับซ้อนโดยทำงานคล้ายกับการส่งสัญญาณเสียงสะท้อน เริ่มต้นจากการส่งสัญญาณที่สร้างขึ้นอย่างพิถีพิถันไปยังระบบควอนตัมเพื่อให้เกิดปฏิสัมพันธ์กับคิวบิตเป้าหมาย จากนั้นระบบจะทำการย้อนวิวัฒนาการของสัญญาณอย่างแม่นยำเพื่อฟังเสียงสะท้อนที่ย้อนกลับมา

ความพิเศษอยู่ที่เสียงสะท้อนควอนตัมนี้จะได้รับการขยายสัญญาณผ่านปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ‘Constructive Interference’ ซึ่งคลื่นควอนตัมจะซ้อนทับกัน ส่งผลให้การประมวลผลมีประสิทธิภาพสูงขึ้นและการวัดผลมีความละเอียดอ่อนอย่างยิ่ง สิ่งที่เป็นจุดเด่นที่สุดของการประกาศครั้งนี้คือสิ่งที่เรียกว่าความสามารถในการพิสูจน์ยืนยันของควอนตัม (Quantum Verifiability)

นี่เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถรันอัลกอริทึมที่มีความซับซ้อนเหนือกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ แต่ยังสามารถตรวจสอบความถูกต้องและทำซ้ำได้ การทดลองในอดีตมักเน้นเพียงความเร็วหรือความซับซ้อนแบบสุ่ม แต่การพิสูจน์ยืนยันได้ในครั้งนี้หมายถึงความสามารถในการประมวลผลที่ทำซ้ำได้เพื่อให้ได้คำตอบเดียวกัน

ฮาร์ดแวร์ที่จะทำสิ่งนี้ได้ต้องมีคุณสมบัติสำคัญสองประการควบคู่กัน คือ อัตราข้อผิดพลาดที่ต่ำมาก และความเร็วในการประมวลผลที่สูง ซึ่งชิป Willow ตอบโจทย์ทั้งสองข้อนี้ ในแง่ของการนำไปประยุกต์ใช้จริง เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพในการเรียนรู้โครงสร้างของระบบต่างๆ ในธรรมชาติ ตั้งแต่โมเลกุล แม่เหล็ก ไปจนถึงหลุมดำ

ในการทดลองเพื่อพิสูจน์แนวคิด Google Quantum AI ได้ร่วมมือกับมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ โดยนำเทคนิคใหม่ที่เรียกว่า ‘Molecular Ruler’ มาใช้ในการวัดระยะทางของโครงสร้างเคมี โดยอาศัยข้อมูลจากการสั่นพ้องของคลื่นแม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีพื้นฐานเดียวกับที่ใช้ในเครื่อง MRI ทางการแพทย์

เทคโนโลยีดังกล่าวทำหน้าที่เสมือนกล้องจุลทรรศน์ระดับโมเลกุลที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เห็นตำแหน่งสัมพัทธ์ของอะตอม ผลการทดลองบนชิป Willow กับโมเลกุลที่มีขนาด 15 และ 28 อะตอม พบว่าผลลัพธ์ที่ได้จากคอมพิวเตอร์ควอนตัมตรงกับผลลัพธ์จาก NMR แบบดั้งเดิม แต่สิ่งที่เหนือกว่าคือความสามารถในการเปิดเผยข้อมูลเชิงลึกที่วิธีการแบบเดิมไม่สามารถเข้าถึงได้

Ashok Ajoy ผู้ช่วยศาสตราจารย์สาขาวิชาเคมีของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ซึ่งเป็นหนึ่งในนักวิจัยที่ทำงานร่วมกับทีม Google Quantum AI ให้ความเห็นว่า “อัลกอริทึม Quantum Echoes ของ Google แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของคอมพิวเตอร์ควอนตัมในการสร้างแบบจำลองและคลี่คลายปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนของการหมุนเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งอาจทำได้แม้ในระยะทางไกล” ซึ่งอาจช่วยยกระดับวงการยาและการออกแบบวัสดุขั้นสูง

การทดลองนี้เปรียบเสมือนก้าวแรกสู่การสร้างกล้องควอนตัมที่จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่ไม่เคยสังเกตเห็นมาก่อน ตั้งแต่การระบุว่ายาชนิดใหม่ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลเป้าหมายอย่างไร ไปจนถึงการออกแบบวัสดุใหม่ๆ เช่น โพลีเมอร์ประสิทธิภาพสูง หรือส่วนประกอบแบตเตอรี่รุ่นใหม่

นอกจากนี้ Quantum Echoes ยังอาจเป็นจุดเริ่มต้นของความสัมพันธ์รูปแบบใหม่ระหว่างคอมพิวเตอร์ควอนตัมและ AI เนื่องจาก AI ต้องการข้อมูลในการฝึกฝน และคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถสร้างชุดข้อมูลเฉพาะที่มีคุณค่าซึ่ง AI สามารถนำไปใช้เรียนรู้ได้ ตัวอย่างเช่น ความสำเร็จล่าสุดในการทำนายโครงสร้างโปรตีน 3 มิติต้องอาศัยชุดข้อมูลที่ใช้เวลารวบรวมกว่า 50 ปี แต่ด้วยอัลกอริทึมอย่าง Quantum Echoes อาจช่วยย่นระยะเวลาในการสร้างชุดข้อมูลลักษณะนี้ได้อย่างมาก

ความก้าวหน้าเหล่านี้จะเป็นรากฐานสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีชีวภาพ พลังงานแสงอาทิตย์ ไปจนถึงนิวเคลียร์ฟิวชัน Google Quantum AI ระบุทิ้งท้ายว่า การเผยโฉมความสามารถของ Quantum Echoes บนชิป Willow ในครั้งนี้ ถือเป็นหมุดหมายสำคัญที่ผลักดันให้การประมวลผลแบบควอนตัมขยับจากการทดลองในห้องแล็บไปสู่การใช้งานจริง

โดยคาดการณ์ว่าการประยุกต์ใช้งานเชิงพาณิชย์ครั้งแรกจะเกิดขึ้นภายในระยะเวลา 5 ปีต่อจากนี้ ขณะนี้ทีมวิจัยกำลังมุ่งเน้นไปที่เป้าหมายระยะที่ 3 ตามแผนกลยุทธ์ฮาร์ดแวร์ คือการพัฒนาคิวบิตเชิงตรรกะที่มีอายุการใช้งานยาวนาน