ก่อนอื่นเลยถ้าพูดถึงคำว่า Quantum Annealing หรือ QA นั้นคืออะไรครับ เพราะมันเป็นคำศัพท์ที่ต้องเป็นคนในวงการวิทยาการคอมพิวเตอร์ระดับสูงจริงๆ ถึงจะรู้และเข้าใจมันเป็นอย่างดี เอาเป็นว่าก่อนที่จะเข้าเรื่องนี้ผมขออธิบายให้ทุกท่านพอที่จะเข้ากันกันอย่างพอสังเขปนะครับว่าเจ้า Quantum Annealing นี้มันคืออะไรก่อนที่เราจะไปดูเนื้อหาล่าสุดที่ทาง Google ซึ่งได้ทำการวิจัยเรื่องนี้เผยข้อมูลออกมาครับ
Quantum annealing (QA) นั้นคือ Metaheuristic หรือวิธีการเมตาฮิวริสติกวิธีหนึ่ง โดยวิธีการเมตาฮิวริสติกนั้นคือวิธีการที่ถูกออกแบบมาเพื่อที่จะใช้ในการหาคำตอบที่ดีสำหรับปัญหาที่ต้องการหาค่าที่ดีที่สุด โดยปัญหานั้นๆ จะมีความยุ่งยากซับซ้อนในการแก้ปัญหามาก และคำตอบที่ได้นั้นมักจะอยู่ในรูปแบบของพื้นที่ของคำตอบที่สามารถเป็นไปได้(ไม่ใช่คำตอบที่ตรงตัว แต่เป็นคำตอบที่เป็นพื้นที่หนึ่งของปัญหานั้นๆ)
วิธีการเมตาฮิวริสติกนั้นถือเป็นศาสตร์ชนิดหนึ่งของปัญญาประดิษฐ์หรือ AI ซึ่งเป็นเรื่องของการค้นหาโดยการคำนวณเชิงวิวัฒนาการ (evolutionary computation) วิธีการเมตาฮิวริสติกนั้นมีหลากหลายประเภท ซึ่งโดยส่วนใหญ่นั้นจะได้รับแรงบันดาลใจมาจากวิวัฒนาการทางชีววิทยาในการออกแบบวิธีการเมตาฮิวริสติก ส่วนใหญ่แล้วนั้นวิธีการเมตาฮิวริสติก มักจะถูกใช้ในขั้นตอนวิธีการค้นหา หรือ search algorithm ซึ่งนี่เป็นสิ่งที่บริษัทที่ให้บริการทางด้านการค้นหาอย่าง Google จำเป็นต้องพัฒนาออกมาให้ดีที่สุดครับ
วิธีการเมตาฮิวริสติกแบบ QA นั้นบอกตรงๆ เลยนะครับว่าผมเองก็ไม่เข้าใจแจ่มแจ้งมากนักเนื่องจากว่า Quantum annealing เป็นวิธีการเมตาฮิวริสติกชั้นสูงชนิดหนึ่งที่ดัดแปลงมาจากกลศาสตร์ควอนตัม(ทฤษฎีที่ใช้ในการอธิบายวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอม ซึ่งทฤษฎีนี้เป็นทฤษฎีสมัยใหม่สามารถอธิบายพฤติกรรมและใช้ในการคำนวณสำหรับวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอมอย่างเช่นอิเล็กตรอนในอะตอมของไฮโดรเจนเป็นต้น)
ดังนั้นหากจะว่าไปแล้วก็คือ QA นั้นใช้วิธีการในการคำนวณในระดับที่เล็กมากๆ กว่าวิธีการคำนวณของวิธีการเมตาฮิวริสติกแบบอื่นๆ (เพราะจำลองมาจากกลุ่มของตัวอย่างที่เล็กกว่าอะตอมอย่างเช่นอิเล็กตรอน) และวิธีการ QA นั้นไม่จำเป็นที่จะต้องใช้การวนซ้ำ(simulated annealing) เพื่อหาคำตอบที่ถูกต้องที่สุดอีกต่อไปเนื่องจากมันสามารถที่จะคำนวณได้อย่างละเอียดแล้วในรอบเดียว
ผลที่ได้ก็คือหากเราใช้วิธี QA ในการหาคำตอบนั้นก็จะทำให้ได้พื้นที่คำตอบของปัญหาเล็กลงกว่าเดิมเป็นอย่างมาก(คำตอบที่เราต้องการค้นหานั้นถูกขึ้นเพิ่มขึ้นมากกว่าเดิม) แต่ข้อเสียของวิธีการ QA ก็คือด้วยความที่มันใช้กลวิธีในการแยกย่อยของกลุ่มปัญหาที่เราต้องการคำตอบให้เล็กลงมากที่สุดดังนั้นแล้วมันจึงจำเป็นที่จะต้องอาศัยกำลังเครื่องคอมพิวเตอร์ที่สูงมากในการคำนวณหาคำตอบนั้นๆ
เครื่องคอมพิวเตอร์ที่จะสามารถคำนวณหาคำตอบด้วยวิธี QA แบบไม่ต้องใช้เวลานานหลายๆ ปี(จริงๆ แล้วคือหลายร้อยปีครับ) นั้นก็คือเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมซึ่งรองรับหน่วยที่สามารถคำนวณได้ที่เล็กกว่าคอมพิวเตอร์ระดับทั่วไปที่เราๆ ท่านๆ ใช้กันอยู่ หน่วยนี้เรียกว่า Qubit ณ ตรงนี้นั้นขออธิบายทุกท่านก่อนว่าคอมพิวเตอร์ที่เราๆ ท่านๆ ใช้กันอยู่ในปัจจุบันนั้นมีหน่วยการคำนวณที่เล็กที่สุดเรียกว่า bit หรือทางไฟฟ้าจะแทนด้วยสถานะตัวเลข 1 กับ 0 ซึ่งค่าของ bit ที่ใช้ในการคำนวณในคอมพิวเตอร์ทั่วไปนั้นจะเป็นค่าคงที่แน่นอน
กลับกันแล้วนั้น Qubit จะสามารถที่แสดงสถานะได้เหนือกว่า bit คือมันจะสามารถแสดงสถานะได้ระหว่าง 0 ถึง 1 ได้ทุกค่า(นั่นหมายถึง 0.00000055….ไม่มีสิ้นสุดหรือจะบอกได้ว่าเล็กมากๆ) และสามารถสลับสถานะใน Qubit เดิมไปมาหรือมีค่า 0 และ 1 ไปพร้อมๆ กันได้ด้วย ทำให้การคำนวณบนเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมนั้นประมวลผลการคำนวณแบบขนานได้ ซึ่งจากงานวิจัยต่างๆ นั้นได้บอกเอาไว้ว่าเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมสามารถที่จะประมวลผลคำสั่งนับล้านๆ คำสั่งได้ในเวลาเดียวกัน(ขึ้นอยู่กับว่าเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมนั้นๆ มี Qubit ในการประมวลผลทั้งหมดกี่หน่วย) แต่คอมพิวเตอร์ทั่วไปนั้นจะสามารถทำการประมวลผลได้ทีละคำสั่งเท่านั้น
หมายเหตุ – ด้วยเหตุที่ปกติแล้วหนึ่งแกนการประมวลผลของหน่วยประมวลผลบนคอมพิวเตอร์ทั่วไปที่เราๆ ท่านๆ ใช้กันจะทำการประมวลผลได้ทีละ 1 คำสั่งเท่านั้น ดังนั้นเพื่อให้คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันสามารถประมวลผลได้เร็วขึ้นเราจึงได้เห็นหน่วยประมวลผลที่มีหลายแกนการประมวลผลออกมาครับ
อย่างไรก็ตามแนวคิดของเรื่องเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมนั้นก็เป็นเรื่องที่ได้มีการพูดคุยกันมาอย่างเนิ่นนานแล้ว แต่ก็ยังไม่มีใครสามารถพิสูจน์ได้ จนกระทั่งในช่วงกลางปี 2011 ที่ผ่านมานั้นบริษัท D-Wave ได้มีการวางจำหน่ายเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมเชิงพาณิชย์ตัวเลขของโลกออกมาในชื่อ D-Wave One ซึ่งใช้หน่วยประมวลผลระดับ 128 Qubit ตัวเครื่องมีขนาดที่ค่อนข้างจะใหญ่มากๆ (ดังรูปทางด้านล่างนี้) พร้อมทั้งเวลาใช้งานนั้นจะต้องใช้งานในที่ๆ อุณหภูมิต่ำมากๆ เพื่อคงสภาพของ Qubit เอาไว้เนื่องจากต้องพยายามคงสภาพของอิเล็กตรอนที่ใช้ในการคำนวณอยู่ตลอดเวลา(ถ้าอุณหภูมิร้อนขึ้นจากการที่แกนหมุนหน่วยประมวลผลร้อนเกินไปแล้วไม่สามารถรักษาอุณหภูมิไว้ได้ต่ำๆ อิเล็กตรอนจะได้รับพลังงานจากความร้อนของแกนการหมุนแล้วมันก็จะเสียรูปซึ่งทำให้ค่าที่เก็บไว้เปลี่ยนไปได้ครับ)
D-Wave One : เครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมเชิงพาณิชย์เครื่องแรกของโลก
ลูกค้ารายแรกที่ซื้อ D-Wave One ไปใช้งานนั้นก็คือบริษัทผลิตอาวุธและเครื่องบิน Lockheed Martin ครับ หลังจากนั้นมา Google และ NASA ก็ได้เข้าซื้อ D-Wave รุ่นหลังจากนั้นเพื่อไปใช้งานด้วย สำหรับบริษัทอื่นๆ นอกเหนือไปจาก Google และ NASA นั้นเราจะไม่พูดถึงนะครับว่าพวกเขาซื้อ D-Wave ไปเพื่ออะไร(จริงๆ แล้วเพราะว่าทางบริษัทและองค์กรต่างๆ เหล่านั้นไม่ได้เปิดเผยข้อมูลอย่างเป็นทางการเอาไว้ครับ) แต่สำหรับ Google แล้วนั้นแตกต่างกันครับ เนื่องจากว่าทาง Google นั้นเป็นบริษัทที่เน้นธุรกิจการค้นหาข้อมูลเป็นหลัก ดังนั้นแล้วเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมนั้นจะช่วยเรื่องนี้กับ Google ได้เป็นอย่างมากครับ
ทางทีม Google Quantum AI(Quantum Artificial Intelligence) ได้มีการศึกษาพื้นฐานทางด้านฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับ Quantum Annealing หรือ QA มาเป็นระยะเวลา 2 ปีได้ จนในที่สุดเมื่อทางทีมงานคิดว่าเข้าใจในส่วนของวิธีการ QA อย่างแน่นอนแล้วทางทีมงานจึงได้ทำการปรับปรุงแก้ไขส่วนของโปรแกรมเข้าไปยังเครื่อง D-Wave 2X quantum annealer ใหม่(ซึ่งมีหน่วยประมวลผลที่รองรับ Qubit มากกว่า 1000 Qubit) เพื่อเป็นการพิสูจน์ว่าหลักการ QA ที่ทำผ่านเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมนั้นจะเป็นเรื่องที่แท้จริงหรือไม่(เอาง่ายๆ ก็คือเป็นทั้งการพิสูจน์เรื่องของเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัม D-Wave ว่าเป็นเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมจริงๆ หรือไม่และเป็นการพิสูจน์ความสามารถของวิธีการ QA ไปในตัวด้วยนั่นเองครับ)
หมายเหตุ – ในส่วนของการพัฒนา D-Wave 2X quantum annealer นี้นั้นทาง Google ได้ร่วมกันพัฒนากับทาง NASA ครับ
ปัญหาที่ทาง Google ใช้เป็นตัวทดสอบนั้นพบว่ามีกรณีปัญหาที่เกี่ยวข้องสำหรับการหาคำตอบเกือบจะ 1000 ตัวแปรไบนารีเลยครับ ซึ่งนั่นก็พอๆ กับความสามารถของเครื่อง D-Wave 2X ด้วยพอดีที่รองรับ Qubit มากกว่า 1000 Qubit ขึ้นไป ด้วยการใช้วิธีการ QA ที่ไม่จำเป็นต้องใช้วิธีการวนซ้ำเพื่อหาคำตอบที่ดีที่สุด(simulated annealing) ทำให้การค้นหาคำตอบด้วยวิธี QA นั้นเร็วกว่าวิธีการ simulated annealing บนแกนการประมวลผลเดียวถึง 108 เท่า(บนเครื่องคอมพิวเตอร์ทั่วไป) นอกไปจากนั้นแล้วทาง Google ยังได้ใช้ขั้นตอนวิธีที่เรียกว่า Quantum Monte Carlo มาทำการเปรียบเทียบด้วย ซึ่งผลที่พบนั้น D-Wave 2X quantum annealer ก็ยังเร็วกว่าอยู่ดีดังกราฟครับ
โดยสรุปแล้วนั้นในการทดสอบและจากเอกสารทางวิชาการที่ทีมวิจัยเผยออกมามีดังต่อไปนี้ครับ
- เครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมของทาง D-Wave นั้นน่าจะเป็นของจริงเพราะผลการทดสอบพบว่าเมื่อใช้ขั้นตอนวิธี QA บนเครื่อง D-Wave 2X นั้นเร็วกว่าวิธีการอื่นๆ มากเป็น 100 ล้านเท่า ซึ่งเมื่อเทียบกับหลักการวิธีอื่นที่นำมาทดสอบด้วยแล้วนั้นเร็วกว่ากันอย่างชัดเจน
- ในกรณีที่ขนาดของปัญหามีจำนวนขนาด(bit size) ไม่มากเท่าไรนักเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมของทาง D-Wave สามารถที่จะประมวลผลคำตอบได้ที่เวลาเกือบจะเท่าๆ กัน แต่เมื่อมีขนาดของปัญหามากขึ้น เวลาที่ใช้ในการประมวลผลก็มากขึ้นตามไปด้วย
- เครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมยังคงเป็นเครื่องที่อยู่ในขั้นตอนแรกของการนำมาใช้จริงเท่านั้น เนื่องจากว่ามันค่อนข้างที่จะจำกัดกับปัญหาในรูปแบบหนึ่งๆ เฉพาะด้านไปตามปัญหาที่ตั้งขึ้น เครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมยังไม่เหมาะสมที่จะใช้งานทั่วไปที่สามารถทำการแก้ไขปัญหาหลายๆ แบบได้
- จากกราฟจะเห็นได้ว่าถึงแม้วิธีการ simulated annealing จะใช้เวลาในการประมวลผลเพื่อให้ได้คำตอบนานกว่า D-Wave แต่หากสังเกตดีๆ แล้วจะเห็นได้ว่าตัวกราฟเกือบจะเป้นเส้นตรง แถมในการรันที่ 50, 75 และ 85 เปอร์เซนต์ภายใต้จำนวนปัญหาเท่าๆ กัน วิธีการ simulated annealing นั้นแถบจะใช้เวลาในการหาคำตอบไม่แตกต่างกันเลย
ทางทีมงานวิจัยของ Google นั้นบอกว่าคงต้องใช้เวลาในการพัฒนาอีกต่อไปสีกพักเลยครับเพื่อที่จะสามารถปรับแต่งประสิทธิภาพของวิธีการ QA ให้เหมาะสมกับเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมได้มากกว่านี้ นอกไปจากนั้นแล้วในเรื่องของปัญหาที่นำมาใช้นั้นหากยากมากเกินไป(คือมีขนาดของปัญหามาก) เครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมก็จอดใช้เวลาคิดนานมากขึ้นด้วยเช่นเดียวกัน(แต่ก็ยังน้อยกว่าเครื่องคอมพิวเตอร์แบบธรรมดาหลายเท่าตัว)
แต่ถึงแม้ว่าเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมจะทำงานในการประมวลผลเพื่อหาคำตอบตามวิธีการ QA ได้เร็วกว่าวิธีการ simulated annealing บนเครื่องคอมพิวเตอร์ทั่วไป ทว่าทาง Google ก็ได้บอกเอาไว้ครับว่าด้วยความที่ในอนาคตนั้น annealers จะมีการเชื่อมต่อที่หนาแน่นมากว่าเดิมทำให้วิธีการ QA ที่ Google ใช้กับ D-Wave นั้นไม่สามารถที่จะคงประสิทธิภาพได้เช่นนี้อีกต่อไป เพราะต้องมีการเปลี่ยนแปลงในส่วนของโค้ดเพื่อการใช้งานเป็นอย่างมาก(อย่างที่บอกว่ามันเหมาะเฉพาะกับงานประเภทหนึ่งเท่านั้น)
ในขณะที่วิธีแบบเดิมๆ อย่าง simulated annealing นั้นถึงจะช้ากว่าแต่มันสามารถปรับแต่งได้ง่ายกว่าเพื่อให้รองรับกับปัญหาใหม่ๆ ดังนั้นหากรวมเวลาทั้งหมดที่ต้องใช้ตั้งแต่การปรับแต่งโค้ดให้เหมาะสมกับปัญหาไปจนกระทั่งเราได้คำตอบจากการประมวลผลที่ต้องการแล้ววิธีการ simulated annealing นั้นก็ถือว่าเป็นวิธีการที่ยังคงมีประสิทธิภาพที่ดีที่สุดอยู่ดีในปัจจุบันครับ เป้าหมายของ Google ก็คือหลังจากตอนนี้ที่พิสูจน์ได้แล้วว่า D-Wave คือเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมจริงที่สามารถใช้วิธีการ QA ได้ แต่ต่อไปจะทำอย่างไรให้วิธีการ QA นั้นกลายมาเป็นวิธีการหลักที่ง่ายกว่าการใช้ simulated annealing ครับ
ทั้งนี้เครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมคงไม่สามารถที่จะใช้งานในชีวิตประจำวันสำหรับผู้ใช้ในเร็วๆ นี้ได้ คงต้องรอกันไปอีกสักพักใหญ่ๆ หล่ะครับ(อย่างน้อยก็ 10 – 20 ปีขึ้นไป) เราๆ ท่านๆ ถึงจะได้มีโอกาสได้จับต้องเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมกัน
หมายเหตุ – ตอนนี้คุณจะเป็นเจ้าของเครื่องคอมพิวเตอร์ระบบควอนตัมก็ได้ครับเพียงคุณมีเงินเกิน $10 million หรือประมาณ 360 ล้านบาทไปสั่งซื้อจากทาง D-Wave
ที่มา : googleresearch.blogspot.com, 2, Wiki
