IBM เปิดตัวอัลกอริธึม Relay-BP เร่งพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมให้ทนทานต่อความผิดพลาด

IBM ได้ประกาศความก้าวหน้าครั้งสำคัญทางด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัม ด้วยการพัฒนาอัลกอริธึมถอดรหัสใหม่ชื่อว่า Relay-BP ซึ่งเป็นนวัตกรรมที่ช่วยเพิ่มความแม่นยำในการแก้ไขข้อผิดพลาด (error correction) ในระบบควอนตัมได้ดียิ่งขึ้น รวมถึงลดการใช้ทรัพยากรคอมพิวเตอร์ ซึ่งถือเป็นหนึ่งในอุปสรรคสำคัญของการทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้งานได้จริงในอนาคต

ความสำคัญของการแก้ไขข้อผิดพลาดในคอมพิวเตอร์ควอนตัม

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเผชิญกับความท้าทายขนาดใหญ่เพราะความไวสูงต่อสภาวะแวดล้อมที่ไม่เสถียร อาจทำให้ข้อมูลสูญหายหรือบิดเบือนได้ง่าย แตกต่างจากคอมพิวเตอร์คลาสสิกที่มีความผิดพลาดน้อยและจัดการได้ง่ายกว่า ความสามารถในการแก้ไขข้อผิดพลาดแบบเรียลไทม์จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง เพื่อให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถประมวลผลงานขนาดใหญ่ เช่น การค้นคว้าทางยา วิทยาศาสตร์วัสดุ หรือปัญหาทางคณิตศาสตร์ขั้นสูง ได้จริง

Relay-BP ได้รับการออกแบบเพื่อทำงานร่วมกับรหัสแก้ไขข้อผิดพลาดแบบ quantum low-density parity check (qLDPC) ซึ่ง IBM ให้ความสำคัญเพราะสามารถลดจำนวนคิวบิตจริงที่จำเป็นสำหรับการแก้ไขข้อผิดพลาดได้ถึง 90% เมื่อเทียบกับวิธีดั้งเดิม แต่รหัสเหล่านี้จำเป็นต้องมีอัลกอริธึมถอดรหัสที่ทรงพลังพอที่จะจัดการกับข้อผิดพลาดได้อย่างมีประสิทธิภาพ — จุดนี้เองที่ Relay-BP โชว์ศักยภาพได้อย่างโดดเด่น

นวัตกรรมและประสิทธิภาพของ Relay-BP

Relay-BP ถูกพัฒนาขึ้นจากแนวคิดการแพร่ความเชื่อ (belief propagation) แต่มาพร้อมการปรับปรุงสำคัญ เช่น การใช้ “memory transience” หรือการเปลี่ยนแปลงความจำในแต่ละโหนดของระบบ เพื่อลดปัญหาการติดอยู่กับคำตอบที่ผิดพลาด รวมถึงการใช้ความแข็งแรงของความจำในแบบลบ (negative memory strengths) ช่วยให้อัลกอริธึมสามารถ “ลืม” คำตอบที่ไม่น่าเชื่อถือและมุ่งหาโซลูชันที่ดีขึ้น

ไม่เพียงแต่แม่นยำกว่าเดิมมากเท่านั้น ผลการทดสอบยังพบว่า Relay-BP มีความเร็วในการประมวลผลเทียบเท่าหรือดีกว่าเดิม และถูกออกแบบมาให้เหมาะสมกับการทำงานบนฮาร์ดแวร์ที่มีอยู่จริง เช่น FPGA หรือ ASIC ซึ่งจำเป็นสำหรับการแก้ไขข้อผิดพลาดแบบเรียลไทม์ในระบบควอนตัม

ภาพเปรียบเทียบพฤติกรรมของอัลกอริธึม BP และเวอร์ชันที่พัฒนาเพิ่มเติม

(a) BP (Belief Propagation แบบดั้งเดิม)

• เส้นสีเขียว: ความเชื่อที่รวมตัวได้ (converging belief)
• เส้นสีแดงและน้ำเงิน: ความเชื่อที่สั่นไปมา (oscillating beliefs) ไม่สามารถตัดสินใจได้ชัดเจน
• แสดงให้เห็นว่า BP อาจไม่เสถียรในบางกรณี โดยเฉพาะเมื่อมีโครงสร้างที่ทำให้เกิดการสั่นของข้อมูล

(b) Mem-BP (BP ที่มีหน่วยความจำ)

• เพิ่ม “memory term” เพื่อช่วยลดการสั่นของความเชื่อ
• แต่ในกรณีที่มีโครงสร้างสมมาตร (เช่น trapping sets) ความเชื่ออาจยังคงไม่แน่ชัด (uncertain beliefs)
• เส้นสีแดงและน้ำเงินยังไม่รวมตัวได้ดี

(c) DMem-BP (Disordered Memory BP)

• ใช้ความแรงของหน่วยความจำแบบสุ่ม (disordered memory strengths)
• เส้นสีเขียวแสดงความเชื่อที่ชัดเจน (decisive belief)
• เส้นสีแดงและน้ำเงินแสดงความไม่เชื่อหรือความไม่แน่ใจ
• การสุ่มช่วยทำลายความสมมาตร ทำให้ระบบสามารถตัดสินใจได้ดีขึ้น

(d) Relay-BP

• กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงของน้ำหนักการแก้ไข (corr. weight) และน้ำหนักของ syndrome (synd. weight) ตามจำนวน iteration
• พื้นที่สีต่าง ๆ:
  • สีฟ้า: ไม่มีคำตอบ
  • สีเบจ: คำตอบแรก
  • สีแดง: คำตอบที่ดีที่สุด
  • สีม่วง: ไม่มีคำตอบ
  • สีเขียว: คำตอบที่ถูกต้อง
• เส้นทึบ: น้ำหนักของการแก้ไขที่เสนอ
• เส้นประ: น้ำหนักของ syndrome หลังการแก้ไข
• Relay-BP เชื่อมต่อหลายการรันของ DMem-BP เพื่อเพิ่มโอกาสในการหาคำตอบที่ถูกต้อง โดยไม่ต้องเริ่มใหม่ทุกครั้ง

สรุปในภาพที่ 1 นี้แสดงให้เห็นถึงวิวัฒนาการของอัลกอริธึม BP: จาก BP ที่อาจไม่เสถียร ไปสู่ Mem-BP ที่พยายามลดการสั่น แล้วต่อยอดด้วย DMem-BP ที่ใช้ความไม่เป็นระเบียบเพื่อทำลายข้อจำกัด และสุดท้าย Relay-BP ที่รวมพลังจากหลายการรันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

เส้นทางสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริง

IBM มีแผนที่จะนำ Relay-BP ไปทดลองใช้งานจริงครั้งแรกภายในปี 2026 บนระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัม Kookaburra โดยเป็นส่วนหนึ่งของแผนงานพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนทานต่อความผิดพลาดชื่อ Starling ภายในปี 2029 ซึ่งตั้งเป้าหมายที่จะดำเนินการได้ถึง 100 ล้านขั้นตอนควอนตัมด้วยคิวบิตตรรกะ 200 ตัว

การพัฒนานี้เกิดขึ้นในช่วงที่ทั้ง IBM และคู่แข่งอย่าง Google และ Quantinuum กำลังแข่งขันกันเพื่อบรรลุจุดที่เรียกว่า “Quantum Advantage” หรือความได้เปรียบในการประมวลผลควอนตัมในระดับใช้งานจริง ขณะที่ Google สามารถปฏิบัติการแก้ไขข้อผิดพลาดในระดับเบื้องต้น และ Quantinuum รายงานความสำเร็จในการสร้างเกตต์ควอนตัมแบบ fault-tolerant โดย IBM ชูโรงด้านอัลกอริธึมที่สามารถนำไปใช้กับฮาร์ดแวร์ได้จริงซึ่งอาจกลายเป็นปัจจัยสำคัญในตลาดคอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงพาณิชย์

นอกจากนี้ IBM ยังเผยแพร่งานวิจัยนี้ในรูปแบบ preprint บน arXiv และเปิดให้ดาวน์โหลดซอฟต์แวร์จาก GitHub เพื่อเปิดโอกาสให้นักวิจัยและนักพัฒนาจากทั่วโลกได้ร่วมพัฒนาแก้ไขปัญหาด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมไปด้วยกัน

ข้อมูล: IBM