วิธีเปลี่ยนคอมพิวเตอร์ควอนตัมให้กลายเป็นเครื่องกำเนิดการสุ่มขั้นสูงสุด
พูดคำว่า “อำนาจสูงสุดของควอนตัม” ที่การรวมตัวของนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์และดวงตาจะม้วนขึ้น วลีนี้อ้างอิงถึงแนวคิดที่ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะก้าวข้ามขีดจำกัดในไม่ช้า ซึ่งพวกเขาจะทำงานที่ค่อนข้างง่าย ซึ่งยากมากสำหรับคอมพิวเตอร์คลาสสิก จนกระทั่งเมื่อเร็วๆ นี้ งานเหล่านี้คิดว่ามีการใช้งานจริงเพียงเล็กน้อย ดังนั้นการกลอกตา
แต่ตอนนี้มีข่าวลือว่าโปรเซสเซอร์ควอนตัมของ Google ใกล้จะบรรลุเป้าหมายนี้ อำนาจสูงสุดของควอนตัมที่ใกล้เข้ามาอาจกลายเป็นแอปพลิเคชั่นที่สำคัญหลังจากทั้งหมด: สร้างการสุ่มที่บริสุทธิ์
การสุ่มเป็นสิ่งสำคัญสำหรับเกือบทุกอย่างที่เราทำกับโครงสร้างพื้นฐานด้านการคำนวณและการสื่อสารของเรา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันถูกใช้เพื่อเข้ารหัสข้อมูล ปกป้องทุกอย่างตั้งแต่การสนทนาทางโลกไปจนถึงธุรกรรมทางการเงินไปจนถึงความลับของรัฐ
การสุ่มที่แท้จริงและตรวจสอบได้ — คิดว่ามันเป็นคุณสมบัติที่มีลำดับของตัวเลขที่ทำให้ไม่สามารถคาดเดาหมายเลขถัดไปในลำดับได้ — เป็นเรื่องยากมากที่จะเกิดขึ้น
ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมแสดงความเหนือกว่า งานแรกเหล่านั้น ซึ่งเดิมตั้งใจไว้เพียงเพื่ออวดความสามารถของเทคโนโลยี ก็สามารถสร้างการสุ่มที่แท้จริงและได้รับการรับรองได้ “เรารู้สึกตื่นเต้นมากเกี่ยวกับเรื่องนี้” จอห์น มาร์ตินนิส นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา ซึ่งเป็นหัวหน้างานด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมของ Google กล่าว “เราหวังว่านี่จะเป็นแอปพลิเคชั่นแรกของคอมพิวเตอร์ควอนตัม”
ความสุ่มและเอนโทรปี
ทฤษฎีสุ่มและควอนตัมไปด้วยกันเหมือนฟ้าร้องและฟ้าผ่า ในทั้งสองกรณี เหตุการณ์แรกเป็นผลที่ตามมาอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้จากกรณีหลัง ในโลกควอนตัม ระบบมักถูกกล่าวขานว่าอยู่ในสถานะผสมกัน — ที่เรียกว่า “การซ้อน” เมื่อคุณวัดระบบ มันจะ “ยุบ” เป็นสถานะใดสถานะหนึ่งเท่านั้น และในขณะที่ทฤษฎีควอนตัมให้คุณคำนวณความน่าจะเป็นสำหรับสิ่งที่คุณจะพบเมื่อคุณทำการวัด ผลลัพธ์นั้นมักจะสุ่มโดยพื้นฐานเสมอ
นักฟิสิกส์ได้ใช้ประโยชน์จากการเชื่อมต่อนี้เพื่อสร้างเครื่องกำเนิดตัวเลขสุ่ม ทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับการวัดการทับซ้อนของควอนตัมบางชนิด และในขณะที่ระบบเหล่านี้มีมากเกินพอสำหรับความต้องการสุ่มของคนส่วนใหญ่ แต่ก็อาจใช้งานได้ยาก นอกจากนี้ มันยากมากที่จะพิสูจน์ให้คนอื่นสงสัยว่าเครื่องกำเนิดตัวเลขสุ่มเหล่านี้เป็นแบบสุ่มจริงๆ และสุดท้าย วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดบางอย่างในการสร้างการสุ่มที่ตรวจสอบได้นั้นจำเป็นต้องมีการตั้งค่าที่พิถีพิถันด้วยอุปกรณ์หลายเครื่องที่แยกจากกันด้วยระยะทางที่ไกลมาก
ข้อเสนอล่าสุดสำหรับวิธีดึงการสุ่มออกจากอุปกรณ์เครื่องเดียว — คอมพิวเตอร์ควอนตัม — ใช้ประโยชน์จากงานสุ่มตัวอย่าง ซึ่งอาจเป็นหนึ่งในการทดสอบครั้งแรกของอำนาจสูงสุดของควอนตัม เพื่อให้เข้าใจภารกิจ ให้จินตนาการว่าคุณได้รับกล่องที่เต็มไปด้วยกระเบื้อง แต่ละไทล์มีการสลักเลข 1 และ 0 ไว้สองสามอัน — 000, 010, 101 และอื่นๆ
หากมีเพียงสามบิต มีแปดตัวเลือกที่เป็นไปได้ แต่อาจมีสำเนาของไทล์ที่ติดป้ายกำกับแต่ละรายการได้หลายชุดในกล่อง อาจมี 50 แผ่นที่ติดป้าย 010 และ 25 ป้าย 001 การกระจายตัวของแผ่นงานนี้จะกำหนดโอกาสที่คุณจะสุ่มดึงไพ่ออกมา ในกรณีนี้ คุณมีโอกาสเป็นสองเท่าที่จะดึงไทล์ที่ติดฉลาก 010 ออกมา เท่ากับที่คุณจะดึงไทล์ที่ติดฉลาก 001 ออกมา
งานสุ่มตัวอย่างเกี่ยวข้องกับอัลกอริธึมของคอมพิวเตอร์ที่เทียบเท่ากับการเข้าถึงกล่องที่มีการกระจายตัวของไทล์และสุ่มแยกหนึ่งในนั้น ยิ่งระบุความน่าจะเป็นสำหรับไทล์ใดๆ ในการแจกแจง ยิ่งมีโอกาสมากขึ้นที่อัลกอริธึมจะส่งออกไทล์นั้น
แน่นอนว่าอัลกอริธึมจะเข้าไปไม่ถึงถุงจริงและดึงกระเบื้องออกมา แต่จะสุ่มส่งออกเลขฐานสองที่มีความยาว 50 บิต หลังจากได้รับการกระจายที่ระบุความน่าจะเป็นที่ต้องการสำหรับสตริงเอาต์พุต 50 บิตแต่ละรายการที่เป็นไปได้
เราหวังว่านี่จะเป็นแอปพลิเคชั่นแรกของคอมพิวเตอร์ควอนตัม
จอห์น มาร์ตินิส
สำหรับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก งานจะยากขึ้นแบบทวีคูณเมื่อจำนวนบิตในสตริงเพิ่มขึ้น แต่สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม งานนี้คาดว่าจะค่อนข้างตรงไปตรงมา ไม่ว่าจะเกี่ยวข้องกับห้าบิตหรือ 50
คอมพิวเตอร์ควอนตัมเริ่มต้นด้วยควอนตัมบิต — คิวบิต — ในบางสถานะ สมมติว่าทั้งหมดเริ่มต้นที่ 0 เช่นเดียวกับที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกทำงานบนบิตแบบคลาสสิกโดยใช้ลอจิกเกตที่เรียกว่า คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะจัดการคิวบิตโดยใช้ค่าเทียบเท่าควอนตัม หรือที่เรียกว่าประตูควอนตัม
แต่ประตูควอนตัมสามารถทำให้คิวบิตอยู่ในสถานะแปลก ๆ ได้ ตัวอย่างเช่น เกตชนิดหนึ่งสามารถใส่ qubit ที่เริ่มต้นด้วยค่าเริ่มต้น 0 ลงใน superposition ของ 0 และ 1 หากคุณต้องวัดสถานะของ qubit มันจะยุบสุ่มเป็น 0 หรือ 1 ด้วยความน่าจะเป็นเท่ากัน .
ประตูควอนตัมที่ทำงานกับสอง qubits ขึ้นไปในคราวเดียวอาจทำให้ qubits กลายเป็น “พัวพัน” ซึ่งกันและกัน ในกรณีนี้ สถานะของ qubits จะพันกัน ดังนั้นในตอนนี้ qubits สามารถอธิบายได้โดยใช้สถานะควอนตัมเดียวเท่านั้น
หากคุณรวมกลุ่มประตูควอนตัมเข้าด้วยกัน ให้พวกมันทำงานกับชุดของคิวบิตในลำดับที่กำหนด แสดงว่าคุณได้สร้างวงจรควอนตัมแล้ว ในกรณีของเรา ในการสุ่มเอาท์พุตสตริง 50 บิต คุณสามารถสร้างวงจรควอนตัมที่รวม 50 คิวบิต มารวมกันเป็นสถานะซ้อนทับกันซึ่งรวบรวมการแจกแจงที่คุณต้องการสร้างใหม่
เมื่อวัด qubits การซ้อนทับทั้งหมดจะยุบแบบสุ่มเป็นสตริง 50 บิตหนึ่งสตริง ความน่าจะเป็นที่จะยุบเป็นสตริงใดๆ ถูกกำหนดโดยการแจกแจงที่ระบุโดยวงจรควอนตัม การวัด qubits นั้นคล้ายกับการเอาผ้าปิดตาเข้าไปในกล่องและสุ่มสุ่มตัวอย่างหนึ่งสตริงจากการแจกแจง
สิ่งนี้ทำให้เราสุ่มตัวเลขได้อย่างไร สิ่งสำคัญที่สุดคือสตริง 50 บิตที่สุ่มตัวอย่างโดยคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะมีเอนโทรปีจำนวนมาก การวัดความผิดปกติหรือความคาดเดาไม่ได้ และด้วยเหตุนี้จึงเป็นการสุ่ม “นี่อาจเป็นเรื่องใหญ่จริงๆ” สก็อตต์ อารอนสันนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์แห่งมหาวิทยาลัยเท็กซัส ออสติน ผู้คิดค้นโปรโตคอลใหม่กล่าว “ไม่ใช่เพราะมันเป็นแอปพลิเคชั่นที่สำคัญที่สุดของคอมพิวเตอร์ควอนตัม — ฉันคิดว่ามันยังห่างไกลจากสิ่งนั้น — เพราะมันดูเหมือนว่าน่าจะเป็นแอปพลิเคชั่นแรกของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่จะเป็นไปได้ทางเทคโนโลยีในการนำไปใช้”
โปรโตคอลของ Aaronson ในการสร้างการสุ่มนั้นค่อนข้างตรงไปตรงมา อันดับแรก คอมพิวเตอร์คลาสสิกรวบรวมการสุ่มสองสามบิตจากแหล่งที่เชื่อถือได้ และใช้ “การสุ่มเมล็ดพันธุ์” นี้เพื่อสร้างคำอธิบายของวงจรควอนตัม บิตสุ่มกำหนดประเภทของประตูควอนตัมและลำดับที่ควรดำเนินการกับคิวบิต คอมพิวเตอร์คลาสสิกส่งคำอธิบายไปยังคอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งใช้วงจรควอนตัม วัดคิวบิต และส่งสตริงบิตเอาต์พุต 50 บิตกลับ โดยได้สุ่มตัวอย่างจากการแจกแจงที่กำหนดโดยวงจร
ทำซ้ำขั้นตอนนี้ซ้ำแล้วซ้ำอีก ตัวอย่างเช่น 10 ครั้งสำหรับวงจรควอนตัมแต่ละวงจร คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกใช้การทดสอบทางสถิติเพื่อให้แน่ใจว่าสตริงเอาต์พุตมีเอนโทรปีจำนวนมาก Aaronson ได้แสดงให้เห็น ส่วนหนึ่งในผลงานที่ตีพิมพ์กับ Lijie Chenและอีกส่วนหนึ่งในผลงานที่ยังไม่ได้ตีพิมพ์ว่าภายใต้สมมติฐานที่เป็นไปได้บางประการว่าปัญหาดังกล่าวมีความยากลำบากในการคำนวณ ไม่มีคอมพิวเตอร์คลาสสิกใดที่สามารถสร้างเอนโทรปีดังกล่าวได้ในเวลาใกล้เคียงกับเวลาที่ต้องใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม เพื่อสุ่มตัวอย่างจากการแจกแจง หลังจากการตรวจสอบ คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะวางสตริงเอาต์พุต 50 บิตทั้งหมดเข้าด้วยกัน และป้อนทั้งหมดไปยังอัลกอริธึมคลาสสิกที่รู้จักกันดี “มันสร้างสายยาวที่เกือบจะสุ่มได้อย่างสมบูรณ์แบบ” Aaronson กล่าว
ประตูกับดักควอนตัม
โปรโตคอลของ Aaronson เหมาะที่สุดสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประมาณ 50 ถึง 100 คิวบิต เมื่อจำนวน qubits ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมผ่านเกณฑ์นี้ มันจะกลายเป็นสิ่งที่ยากต่อการคำนวณสำหรับซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกที่จะใช้โปรโตคอลนี้ นี่คือที่รูปแบบอื่นสำหรับการสร้างการสุ่มตรวจสอบได้โดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเข้าสู่ภาพ ใช้เทคนิคทางคณิตศาสตร์ที่มีอยู่ซึ่งมีชื่อต้องห้าม: ฟังก์ชันที่ไม่มีกรงเล็บประตูกล “ฟังดูแย่กว่าที่เป็นอยู่มาก” Umesh Vaziraniนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์จาก University of California, Berkeley ผู้คิดค้นกลยุทธ์ใหม่ร่วมกับZvika Brakerski , Paul Christiano , Urmila MahadevและThomas Vidickกล่าว
ลองนึกภาพกล่องอีกครั้ง แทนที่จะเอื้อมเข้าไปและดึงสตริงออก คราวนี้คุณวางสตริงn -bit เรียกมันว่าxแล้วป๊อปสตริงn -bit อีกอันปรากฏขึ้น กล่องกำลังจับคู่สตริงอินพุตกับสตริงเอาต์พุต แต่กล่องมีคุณสมบัติพิเศษ: สำหรับทุก ๆxจะมีสตริงอินพุตy อื่นที่สร้างสตริงเอาต์พุตเดียวกัน
ในคำอื่น ๆ ที่มีอยู่สองสายการป้อนข้อมูลที่ไม่ซ้ำกัน – xและy ที่ – ที่กล่องส่งกลับสตริงเอาท์พุทเดียวกัน Z แฝดสามของx , yและzนี้เรียกว่ากรงเล็บ กล่องในวิทยาการคอมพิวเตอร์พูดเป็นฟังก์ชัน ฟังก์ชันนี้คำนวณได้ง่าย หมายความว่าเมื่อให้xหรือyแล้ว จะคำนวณzได้ง่าย แต่ถ้าคุณได้รับเพียงxและzการค้นหาyและด้วยเหตุนี้กรงเล็บจึงเป็นไปไม่ได้ แม้แต่กับคอมพิวเตอร์ควอนตัม
วิธีเดียวที่คุณจะเข้าถึงกรงเล็บได้ก็คือถ้าคุณมีข้อมูลภายใน ที่เรียกว่าประตูกล
Vazirani และเพื่อนร่วมงานของเขาต้องการใช้ฟังก์ชันดังกล่าว ไม่เพียงแต่เพื่อให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสร้างการสุ่มเท่านั้น แต่ยังต้องตรวจสอบว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานด้วยกลไกควอนตัม ซึ่งจำเป็นต่อการเชื่อถือการสุ่ม
โปรโตคอลเริ่มต้นด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใส่n qubits ลงใน superposition ของสตริงn -bit ทั้งหมด จากนั้นคอมพิวเตอร์คลาสสิกจะส่งคำอธิบายของวงจรควอนตัมที่ระบุฟังก์ชันที่จะนำไปใช้กับการซ้อนทับ ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่ไม่มีกรงเล็บประตูกล คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้วงจร แต่ไม่รู้อะไรเกี่ยวกับประตูกล
ในขั้นตอนนี้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมเข้าสู่สถานะที่ชุดหนึ่งของ qubits อยู่ใน superposition ของสตริงn -bit ทั้งหมดในขณะที่ชุดอื่นเก็บผลลัพธ์ของการใช้ฟังก์ชันกับ superposition นี้ qubit สองชุดพันกัน
คอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นมีขนาดชุดที่สองของ qubits สุ่มยุบซ้อนเป็นบางส่วนเอาท์พุทZ ชุดแรกของ qubits แต่ทรุดฮวบลงไปทับซ้อนที่เท่ากันของสองnสตริงบิต, xและy ที่เพราะทั้งจะได้ทำหน้าที่เป็น input เพื่อฟังก์ชั่นที่นำไปสู่Z
คอมพิวเตอร์คลาสสิกรับเอาต์พุตzจากนั้นทำสิ่งใดสิ่งหนึ่งจากสองสิ่ง โดยส่วนใหญ่จะขอให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมวัด qubits ที่เหลืออยู่ นี้จะยุบทับซ้อนที่มีโอกาส 50-50 เข้าทั้งxหรือy ที่ นั่นเท่ากับได้ 0 หรือ 1 โดยการสุ่ม
ในบางครั้ง เพื่อตรวจสอบควอนตัมของคอมพิวเตอร์ควอนตัม คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะขอการวัดพิเศษ การวัดและผลลัพธ์ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกด้วยความช่วยเหลือของประตูกลที่สามารถเข้าถึงได้เท่านั้น จึงสามารถมั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ที่ตอบคำถามนั้นเป็นควอนตัมอย่างแท้จริง Vazirani และเพื่อนร่วมงานได้แสดงให้เห็นว่าหากอุปกรณ์ให้คำตอบที่ถูกต้องสำหรับการวัดพิเศษโดยไม่ใช้ qubits ที่ยุบ เท่ากับการหากรงเล็บโดยไม่ต้องใช้ประตูกล แน่นอนว่าสิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ ดังนั้นต้องมีอย่างน้อยหนึ่ง qubit ที่ยุบภายในอุปกรณ์ (ให้สุ่มเป็น 0 หรือ 1) “[โปรโตคอล] กำลังสร้าง qubit ป้องกันการงัดแงะภายในคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ไม่น่าเชื่อถือ” Vazirani กล่าว
qubit ที่ป้องกันการงัดแงะนี้ให้ข้อมูลสุ่มหนึ่งบิตอย่างแท้จริงกับการสอบสวนแต่ละครั้ง ลำดับของข้อความค้นหาดังกล่าวสามารถใช้เพื่อสร้างสตริงบิตสุ่มแบบยาวได้
รูปแบบนี้อาจเร็วกว่าโปรโตคอลการสุ่มตัวอย่างควอนตัมของ Aaronson แต่มีข้อเสียที่ชัดเจน “มันจะไม่เป็นประโยชน์กับ 50 หรือ 70 qubits” Aaronson กล่าว
ตอนนี้ Aaronson กำลังรอระบบของ Google “ไม่ว่าสิ่งที่พวกเขากำลังจะเปิดตัวจะดีพอที่จะบรรลุอำนาจสูงสุดของควอนตัมหรือไม่นั้นเป็นคำถามใหญ่” เขากล่าว
หากใช่ การสุ่มควอนตัมที่ตรวจสอบได้จากอุปกรณ์ควอนตัมเดียวก็อยู่ใกล้แค่เอื้อม “เราคิดว่ามันมีประโยชน์และเป็นตลาดที่มีศักยภาพ และนั่นคือสิ่งที่เราต้องการคิดเกี่ยวกับการเสนอขายให้กับผู้คน” Martinis กล่าว
ความเป็นจริงที่ผิดกฎหมายดังกล่าวดูเหมือนเป็นสูตรที่ไม่น่าจะเป็นไปได้สำหรับการสร้างทฤษฎีการทำนายเชิงปริมาณ เช่น กลศาสตร์ควอนตัม แต่ในปี 1983 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อ John Wheeler ได้เสนอให้ความสม่ำเสมอทางสถิติในโลกทางกายภาพอาจเกิดขึ้นจากสถานการณ์ดังกล่าว ซึ่งบางครั้งอาจเกิดจากพฤติกรรมฝูงชนที่ไม่ได้วางแผนไว้ “ทุกสิ่งถูกสร้างขึ้นโดยอาศัยผลลัพธ์ที่คาดเดาไม่ได้ของปรากฏการณ์ควอนตัมเบื้องต้นนับพันล้านครั้ง” วีลเลอร์เขียน แต่อาจไม่มีกฎพื้นฐานที่ควบคุมปรากฏการณ์เหล่านั้น อันที่จริง เขาโต้แย้ง นั่นเป็นสถานการณ์เดียวที่เราหวังว่าจะพบคำอธิบายทางกายภาพที่มีอยู่ในตัว เพราะไม่เช่นนั้น เราจะเหลือการถดถอยอนันต์ ซึ่งสมการพื้นฐานใดๆ พฤติกรรมการกำกับดูแลต้องได้รับการพิจารณาด้วยหลักการพื้นฐานบางอย่างที่มากกว่านี้ “ตรงกันข้ามกับมุมมองที่ว่าจักรวาลเป็นเครื่องจักรที่ควบคุมด้วยสมการเวทมนตร์บางอย่าง … โลกเป็นระบบการสังเคราะห์ตัวเอง” วีลเลอร์แย้ง