Google แก้โจทย์ยาก! ลดข้อผิดพลาดบนชิปควอนตัม Willow ได้สำเร็จ

ก้าวสำคัญของ Google! ลดข้อผิดพลาดในควอนตัมคอมพิวติ้งได้มหาศาล

ทีม Google Quantum AI ได้ตีพิมพ์ผลงานวิจัยระดับเปลี่ยนเกมในวารสาร Science เมื่อวันพฤหัสบดีที่ผ่านมา โดยโชว์ให้เห็นเทคนิคใหม่ที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของควอนตัมคอมพิวเตอร์บนฮาร์ดแวร์จริงได้อย่างก้าวกระโดด

ชิปประมวลผลควอนตัมตัวใหม่อย่าง Willow ช่วยให้ Google ลดข้อผิดพลาดในการทำงานลงได้ถึงประมาณ 40 เท่า ซึ่งความก้าวหน้าครั้งใหญ่นี้เกิดขึ้นได้ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า magic state cultivation

ความสำเร็จนี้ทำให้ Google สามารถสร้างทรัพยากรควอนตัมที่สำคัญ โดยมีความแม่นยำ (logical fidelity) สูงเป็นประวัติการณ์ถึง 99.99% ซึ่งเหล่านักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า วิธีนี้จะช่วยให้การสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์มีราคาถูกลงมาก และนำมาใช้งานจริงได้ง่ายขึ้นเยอะ

มาทำความเข้าใจคิวบิต (Qubits) และปัญหาเรื่อง Magic State กันก่อน

เพื่อให้เห็นภาพว่าทำไมเรื่องนี้ถึงสำคัญ ลองมาดูวิธีทำงานของควอนตัมคอมพิวเตอร์กันครับ คอมพิวเตอร์ทั่วไปจะใช้บิต (Bits) ที่เป็นได้แค่ 0 หรือ 1 เท่านั้น

แต่ควอนตัมคอมพิวเตอร์จะใช้ คิวบิต (qubits) ที่สามารถเป็นได้ทั้ง 0 และ 1 ในเวลาเดียวกัน คุณสมบัตินี้ทำให้มันประมวลผลการคำนวณมหาศาลพร้อมๆ กันได้ในทันที

ทว่า คิวบิตนั้นเปราะบางสุดๆ แค่อุณหภูมิเปลี่ยนนิดเดียวหรือมีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า ก็อาจทำให้คิวบิตพลิกค่าและทำลายการคำนวณทั้งหมดได้ นี่เลยเป็นเหตุผลที่นักวิจัยต้องเน้นเรื่องการแก้ไขข้อผิดพลาด (error correction) เป็นพิเศษ

การแก้ข้อผิดพลาดแบบทั่วไปยังพอรับมือกับงานง่ายๆ ได้ แต่ถ้าจะรันอัลกอริทึมซับซ้อนขั้นสูง เราจำเป็นต้องใช้สถานะควอนตัมแบบพิเศษที่เรียกว่า magic states

ถ้าให้เปรียบเทียบ magic states ก็เหมือนกับเชื้อเพลิงจรวดแบบใช้ครั้งเดียวทิ้งครับ ทุกครั้งที่ควอนตัมคอมพิวเตอร์คำนวณคณิตศาสตร์ซับซ้อน มันจะเผาผลาญ magic state ไปหนึ่งชุด

ที่ผ่านมา การสร้าง magic states ที่บริสุทธิ์มากๆ นั้นทำได้ยากและเปลืองทรัพยากรสุดๆ Google ระบุว่าการเตรียมสถานะเหล่านี้อาจกินพลังประมวลผลไปมากถึง 95% ของความจุทั้งหมดในควอนตัมคอมพิวเตอร์

พอเครื่องคอมพิวเตอร์มัวแต่ยุ่งกับการสร้างเชื้อเพลิงไปถึง 95% มันก็แทบไม่เหลือพลังไปแก้ปัญหาจริงอย่างการคิดค้นตัวยาใหม่ๆ หรือพัฒนาวัสดุขั้นสูงเลย

เปลี่ยนจาก 'โรงงานขนาดใหญ่' มาเป็น 'ตัวกรองอัจฉริยะ'

เมื่อปี 2004 สองนักฟิสิกส์ Sergei Bravyi และ Alexei Kitaev ได้เสนอวิธีการที่เรียกว่า magic state distillation ซึ่งเป็นเทคนิคการนำ magic states ที่มีสัญญาณรบกวนจำนวนมากมากลั่นจนเหลืออันที่สะอาดบริสุทธิ์เพียงไม่กี่อัน

แม้การกลั่นวิธีนี้จะใช้ได้ผล แต่ก็ต้องแลกกับการสร้าง 'โรงงาน' คิวบิตขนาดใหญ่ที่กินพื้นที่มหาศาลโดยไม่ได้ทำหน้าที่อื่นเลย

จนกระทั่งในปี 2024 ทีมวิจัยของ Google ได้เสนอทางลัดใหม่ที่เรียกว่า magic state cultivation ซึ่งแทนที่จะต้องใช้โรงงานทั้งโรง วิธีนี้ทำงานเหมือนตัวกรองอัจฉริยะขนาดจิ๋วที่อยู่บนชิปได้เลย

ตัวชิปจะฉีด magic state แบบหยาบๆ เข้าไปในกลุ่มคิวบิตเล็กๆ แล้วคอยตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง จากนั้นจะคัดอันที่ไม่ดีทิ้งไป และเพาะเลี้ยงเฉพาะอันที่สมบูรณ์แบบที่สุดให้เติบโต

กระบวนการนี้เข้มงวดมาก มีเพียงประมาณ 8% เท่านั้นที่ผ่านการทดสอบ ชิป Willow ต้องคัดทิ้งมากกว่า 9 ใน 10 ครั้ง เพื่อให้ได้สถานะที่บริสุทธิ์ที่สุดเพียงอันเดียว

แม้จะเข้มงวดและคัดทิ้งไปเยอะ แต่วิธีนี้กลับให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมมาก โดยลดข้อผิดพลาดลงได้ถึง 40 เท่า และทำความแม่นยำสูงถึง 99.99% บนฮาร์ดแวร์จริง

งานวิจัยของ Google ถึงกับระบุว่า วิธีการกลั่นแบบเดิมที่สิ้นเปลืองพื้นที่นั้น 'อาจไม่จำเป็นต้องนำมาใช้งานจริงอีกเลย'

เรื่องนี้มีความหมายอย่างไรต่อระบบเข้ารหัสและคริปโต?

การเพิ่มประสิทธิภาพฮาร์ดแวร์ควอนตัมไม่เพียงช่วยให้เราแก้ปัญหายากๆ ในโลกจริงได้เร็วขึ้น แต่ยังส่งผลต่อกรอบเวลาในการถอดรหัสความปลอดภัยมาตรฐานอีกด้วย

เมื่อปี 2019 นักวิจัย Craig Gidney เคยประเมินว่าการถอดรหัสมาตรฐาน RSA-2048 ต้องใช้คิวบิตที่มีสัญญาณรบกวนถึง 20 ล้านคิวบิต แต่ด้วยเทคนิค magic state cultivation ตัวเลขประเมินล่าสุดของเขาลดลงเหลือไม่ถึง 1 ล้านคิวบิต เท่านั้น

นักวิจัยของ Google ยังได้ศึกษาโมเดลความปลอดภัยของคริปโทเคอร์เรนซีด้วย โดยสมุดปกขาว (Whitepaper) ที่ร่วมเขียนกับ Justin Drake นักวิจัยจาก EthereumETH+1.80% Foundation และ Dan Boneh นักเข้ารหัสวิทยาจาก Stanford ได้ประเมินคณิตศาสตร์เบื้องหลังของ BitcoinBTC+0.68% เอาไว้

พวกเขาคำนวณว่า การถอดรหัส Elliptic Curve Cryptography ของ Bitcoin ซึ่งเป็นระบบปกป้อง Private Key นั้น จะใช้คิวบิตจริงน้อยกว่า 500,000 คิวบิต

การค้นพบนี้ต่อยอดมาจากการทดลอง 'Quantum Echoes' ของ Google เมื่อเดือนตุลาคมปีที่แล้ว ซึ่งได้พิสูจน์ให้เห็นถึงความเร็วที่เพิ่มขึ้นของควอนตัมบนฮาร์ดแวร์จริงเป็นครั้งแรก

(สำหรับบริบททางตลาด ช่วงนี้ Bitcoin มีราคาซื้อขายอยู่ที่ประมาณ $82,530 ผลการดำเนินงานในอดีตของสินทรัพย์ดิจิทัลไม่ได้เป็นสิ่งบ่งชี้ถึงผลลัพธ์ในอนาคต)

แล้วตอนนี้ความปลอดภัยของคริปโตกำลังตกอยู่ในอันตรายหรือยัง?

คำตอบแบบสั้นๆ คือ 'ยังครับ' วันนี้ยังไม่มีใครเอาเทคโนโลยีนี้ไปเจาะรหัสความปลอดภัย หรือแฮกกระเป๋าคริปโตได้

การทดลองของ Google ใช้คิวบิตสูงสุดเพียง 54 จาก 105 คิวบิตของชิป Willow ซึ่งยังห่างไกลจากระดับหลายแสนคิวบิตที่ต้องใช้ในการถอดรหัสจริงหลายเท่า

นอกจากนี้ การเจาะรหัส RSA-2048 ต้องใช้ magic states ที่มีอัตราข้อผิดพลาดต่ำถึงขั้น 1 ใน 10,000 ล้าน

ความแม่นยำ 99.99% ของ Google ในปัจจุบัน คิดเป็นอัตราข้อผิดพลาด 1 ใน 10,000 นั่นหมายความว่า สถานะควอนตัมต้องสะอาดและบริสุทธิ์ขึ้นอีกประมาณ 1 ล้านเท่า จากผลลัพธ์ปัจจุบัน มันถึงจะเริ่มกลายเป็นภัยคุกคามได้จริงๆ

ก้าวต่อไปของฮาร์ดแวร์ควอนตัม

ทีม Google Quantum AI วางแผนที่จะทดสอบเทคนิค magic state cultivation กับโครงสร้างตัวประมวลผลที่มีขนาดใหญ่ขึ้น

ทีมวิจัยคาดการณ์ว่า หากลดสัญญาณรบกวนทางกายภาพของชิป Willow ลงได้ครึ่งหนึ่ง อัตราข้อผิดพลาดของ magic state จะลดลงเหลือเพียง 2 ใน 100,000 เท่านั้น

การพัฒนาที่ก้าวกระโดดนี้เกิดขึ้นเพราะข้อผิดพลาดในกระบวนการ cultivation จะลดลงอย่างรวดเร็วเป็นกำลังสามของระดับสัญญาณรบกวนบนชิป

ในขณะที่ฮาร์ดแวร์ควอนตัมพัฒนาก้าวหน้าขึ้นเรื่อยๆ ระบบเข้ารหัสในปัจจุบันก็ยังคงมีความปลอดภัยสูง และในขณะเดียวกัน มาตรการความปลอดภัยยุคหลังควอนตัม (Post-Quantum Security) ก็กำลังได้รับการพัฒนาควบคู่กันไปด้วย