ทีมวิจัยจีนประสบความสำเร็จในการสร้างการพันกันแท้จริงของ 13 คิวบิตควอนตัม โดยไม่ต้องทำลายโฟตอน

คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีศักยภาพที่จะแก้ปัญหาที่คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมจัดการไม่ได้ในปัจจุบัน แต่การทำให้คิวบิตควอนตัมเพียงพอทำงานร่วมกันยังคงเป็นความท้าทายใหญ่โต 近日 ทีมวิจัยจีนได้แสดงในงานวิจัยชิ้นใหม่ว่าจะรวมโฟตอนไมโครเวฟที่พันกันขนาดเล็กให้กลายเป็นเครือข่ายควอนตัมขนาดใหญ่ที่เขียนโปรแกรมได้ โดยไม่ทำลายโฟตอนในกระบวนการเชื่อมต่อ พวกเขาประสบความสำเร็จในการแสดงการพันกันแท้จริงระหว่าง 13 คิวบิตโฟตอน ปูทางสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมและระบบการสื่อสารควอนตัมที่ขยายขนาดได้มากขึ้น ความท้าทายนี้อยู่ที่จะสร้างการเชื่อมต่อเหล่านี้ได้อย่างน่าเชื่อถือ คิวบิต (qubits) สามารถเชื่อมต่อกันผ่านการพันกัน (entanglement) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ควอนตัมที่สถานะร่วมของมันไม่สามารถอธิบายได้แยกต่างหาก

นักวิทยาศาสตร์สามารถจัดเรียงการเชื่อมต่อเหล่านี้ให้กลายเป็นโครงสร้างที่เรียกว่าสถานะกราฟ (graph states) ซึ่งทำหน้าที่เป็นทรัพยากรสำหรับการคำนวณควอนตัมและการสื่อสารควอนตัม นักวิจัยควอนตัมของมหาวิทยาลัย Tsinghua คือ Zhang Hongyi กล่าวว่า: 「สถานะกราฟโฟตอนขนาดใหญ่เป็นทรัพยากรสำคัญของการสื่อสารควอนตัม เครือข่ายควอนตัม และการคำนวณควอนตัมแบบอิงการวัด (measurement-based quantum computing) 」

หนึ่งในวิธีการเชื่อมต่อสถานะที่พันกันขนาดเล็กคือผ่านกระบวนการรวม (fusion) ที่รวมมันเข้าด้วยกันเพื่อสร้างสถานะขนาดใหญ่ขึ้น อย่างไรก็ตาม วิธีการรวมที่ใช้ในระบบออปติกเชิงเส้นแบบดั้งเดิมมักเป็นแบบโอกาส (probabilistic) หมายความว่าบางครั้งการลองจะล้มเหลว การลองซ้ำและฮาร์ดแวร์เพิ่มเติมจะทำให้การสร้างสถานะขนาดใหญ่ยิ่งเพิ่มยากขึ้น ทีมนำเสนอแนวทางที่ใช้วงจรซูเปอร์คอนดักเตอร์ (superconducting circuits) รวมโฟตอนไมโครเวฟที่พันกันขนาดเล็กเข้าด้วยกัน วิธีนี้ไม่ได้สร้างสถานะพันกันขนาดใหญ่ในกระบวนการเดียว แต่สร้างเครือข่ายขนาดใหญ่โดยการเชื่อมต่อสถานะเตรียมไว้ขนาดเล็ก จุดสำคัญของวิธีนี้อยู่ที่เทคนิคที่เรียกว่าการวัดแบบควอนตัมไม่ทำลาย (Quantum Non-Demolition Measurement)

เทคนิคการวัดแบบควอนตัมไม่ทำลาย

ต่างจากการวัดที่จะดูดซับหรือทำลายโฟตัน วิธีนี้สามารถดึงข้อมูลออกมาได้พร้อมทั้งรักษาโฟตอนไว้ ในทดลองครั้งนี้ การวัดยังเปลี่ยนสถานะควอนตัมร่วมของคู่โฟตอน ทำให้นักวิจัยสามารถเชื่อมต่อสถานะกราฟขนาดเล็กได้ Zhang Hongyi กล่าวว่า: 「เราสำรวจว่าสามารถทำการรวมแบบกำหนดได้ (deterministic fusion) ผ่านการใช้การวัดแบบควอนตัมไม่ทำลายหรือไม่ เป้าหมายของเราคือแสดงการดำเนินการรวมที่เป็นแบบกำหนดได้ เขียนโปรแกรมได้ และพิสูจน์ว่ามันให้เส้นทางที่เป็นประโยชน์สำหรับการประกอบสถานะกราฟโฟตอนขนาดใหญ่ที่ปรับโครงสร้างใหม่ได้ (reconfigurable) 」

นักวิจัยเริ่มต้นสร้างกลุ่มโฟตอนไมโครเวฟที่พันกันขนาดเล็กโดยใช้วงจรซูเปอร์คอนดักเตอร์ พวกเขาเข้ารหัสข้อมูลควอนตัมในช่องเวลา (time bins) ที่ต่างกันของโฟตอน ทำให้ข้อมูลสามารถส่งผ่านในเวลาถึงที่ต่างกันได้ จากนั้นพวกเขาใช้ตัวตรวจจับแบบควอนตัมไม่ทำลาย วัดคู่โฟตอนที่เลือก และฉายพวกมันไปยังสถานะพันกันเฉพาะที่เรียกว่าสถานะ Bell (Bell state) สิ่งนี้ทำให้สถานะกราฟขนาดเล็กสามารถเชื่อมต่อกันได้โดยไม่ทำลายโฟตอน ต่อมา ผ่านการปรับความถี่ของโฟตอน (ซึ่งเรียกว่าการปรับความถี่ / frequency tuning) นักวิจัยสามารถเลือกว่าจะวัดคู่ไหน ควบคุมว่าสถานะกราฟขนาดเล็กจะเชื่อมต่อกันอย่างไรเพื่อสร้างสถานะกราฟขนาดใหญ่

สิ่งนี้ทำให้กระบวนการรวมเป็นแบบเขียนโปรแกรมได้ ทีมยังรวมการรีเซ็ตและนำกลับมาใช้ใหม่แบบ chủ động (active reset and reuse) ของคิวบิตซูเปอร์คอนดักเตอร์ รวมถึงการลดข้อผิดพลาดในตัว (built-in error mitigation) ช่วยจำกัดผลกระทบจากการเสื่อมสภาพลักษณะควอนตัมเนื่องจากปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม ผ่านวิธีนี้ นักวิจัยแสดงการพันกันหลายฝ่ายแท้จริง (genuine multipartite entanglement) ระหว่าง 13 คิวบิตโฟตอน หมายความว่าการพันกันขยายไปทั่วกลุ่มทั้งหมด ไม่ได้จำกัดอยู่ในกลุ่มย่อยที่แยกจากกัน ผลงานนี้บ่งชี้ว่ากระบวนการรวมสามารถสร้างสถานะกราฟโฟตอนขนาดใหญ่ที่ปรับโครงสร้างใหม่ได้ Zhang Hongyi กล่าวว่า: 「ส่วนร่วมหลักของเราคือการดำเนินการรวมที่เป็นแบบกำหนดได้ เขียนโปรแกรมได้ และไม่ทำลาย 」

การประยุกต์ใช้สถานะกราฟโฟตอนขนาดใหญ่

สถานะกราฟโฟตอนขนาดใหญ่สามารถรองรับการคำนวณควอนตัมแบบอิงการวัด (measurement-based quantum computing) ซึ่งการคำนวณดำเนินการผ่านการวัดที่เลือกอย่างระมัดระวังบนสถานะที่พันกัน มันยังสามารถขับเคลื่อนเครือข่ายควอนตัมและแนวทางการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมที่มุ่งปกป้องข้อมูลควอนตัมจากข้อผิดพลาด Zhang Hongyi อธิบายว่า: 「งานนี้ให้สถาปัตยกรรมหนึ่งสำหรับการขยายสถานะกราฟโฟตอนผ่านการเชื่อมต่อสถานะทรัพยากรขนาดเล็กที่เตรียมไว้ตามความต้องการ (on-demand) สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการคำนวณควอนตัมแบบอิงการวัดในอนาคต เครือข่ายควอนตัม และแนวทางการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมที่เป็นไปได้ เนื่องจากขนาดและการเชื่อมต่อของสถานะกราฟมีความสำคัญมาก 」

อย่างไรก็ตาม การแสดงการพันกันระหว่าง 13 คิวบิตไม่เทียบเท่ากับการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ที่ใช้งานจริง ระบบยังต้องปรับปรุงในด้านความแม่นยำของอุปกรณ์ ประสิทธิภาพการสร้างโฟตอน และประสิทธิภาพของตัวตรวจจับ ดังนั้น นักวิจัยจึงวางแผนที่จะพัฒนาสถาปัตยกรรมหลายตัวตรวจจับ (multi-detector architecture) เพื่อดำเนินการรวมมากขึ้นและสร้างสถานะกราฟขนาดใหญ่และซับซ้อนมากขึ้น ยังต้องรอสังเกตว่าวิธีนี้จะขยายขนาดได้อย่างมีประสิทธิภาพพร้อมรักษาประสิทธิภาพที่ต้องการหรือไม่ งานวิจัยนี้ได้ตีพิมพ์ในวารสار 《Nature Physics》

ความก้าวหน้าสำคัญสู่การคำนวณควอนตัมที่ขยายขนาดได้

ความสำเร็จของทีมวิจัยจีนแสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าสำคัญในสาขาการคำนวณควอนตัม โดยเฉพาะในเทคโนโลยีการพันกันระหว่างคิวบิต ผ่านการวัดแบบควอนตัมไม่ทำลาย นักวิจัยสามารถดึงข้อมูลและประมวลผลได้โดยไม่ทำลายโฟตอน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมและการสื่อสารควอนตัมในอนาคต การสร้างสถานะกราฟโฟตอนขนาดใหญ่ไม่เพียงแต่ขับเคลื่อนประสิทธิภาพการคำนวณควอนตัม แต่ยังเพิ่มความมั่นคงและความน่าเชื่อถือของเครือข่ายควอนตัม ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีต่อไป งานวิจัยนี้อาจปูทางสู่การบรรลุคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่กว่านี้ และแก้ไขความท้าทายที่เทคโนโลยีปัจจุบันกำลังเผชิญ