| | นักวิจัย Accelerator and Fusion Research Division จากห้องปฏิบัติการ Lawrence Berkeley National Laboratory สหรัฐฯ ศึกษาเรื่องจับลำไอออนอิเล็กตรอน เพื่อพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม | | | นักฟิสิกส์นั้นเชื่อว่า ทฤษฎีควอนตัมสามารถนำมาใช้ได้กับสรรพสิ่ง ทั้งที่เล็กระดับอะตอมและนิวเคลียส จนกระทั่งใหญ่ถึงระดับ supernova และ black hole และเมื่อทฤษฎีนี้แถลงว่า ถ้าอะตอมสามารถมิได้สองสถานะ เช่น |A> กับ |B> สถานะแท้จริงของอะตอม จึงเป็น |A> + |B> ที่ซ้อนทับกันอยู่ จนกระทั่งถึงวินาทีที่ผู้ทดลองลงมือวัด (คือดู) อะตอมก็จะปรากฏอยู่ในสถานะ |A> หรือ |B> โดยที่สถานะหนึ่งหายไปและเหลือสถานะเพียงหนึ่งเดียวให้เห็น โดยอันตรกริยาระหว่างสิ่งแวดล้อมกับอุปกรณ์วัดคือต้นเหตุที่ทำให้เกิดเหตุการณ์สถานะ |A> หรือ |B> ได้สลายไป นี่คือ ปรากฏการณ์ quantum decoherence ซึ่งถ้าเป็นกรณีแมว เราจะไม่เห็นแมว (เป็น+ตาย) แต่เห็นแมวตายหรือแมวเป็นอย่างหนึ่งอย่างใด เพราะสถานะแมว (เป็น+ตาย) ไม่สามารถอยู่นานพอให้เห็น ในปี 1996 David Wineland แห่ง National Institute of Standards and Technology (NIST) ที่เมือง Boulder ในรัฐ Colorado ได้ทำการทดลองโดยใช้อะตอมตัวเดียว (นักวิทยาศาสตร์ยังใช้แมวไม่ได้) ซึ่งแสดงให้โลกเห็นเป็นครั้งแรกว่า หลักการซ้อนทับ [แมว(เป็น+ตาย)] ในกรณีอะตอมเดียวเกิดขึ้นจริง และผลงานนี้ทำให้ Wineland ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2012 ร่วมกับ Serge Haroche แห่ง College de France และ Ecole Normale Superieure เพราะผลงานที่คนทั้งสองทำได้เปิดโลกควอนตัมที่จะนำไปสู่การสร้าง quantum computer, รหัส quantum, และ quantum teleportation ในอนาคต เทคนิคของคนทั้งสองยังยืนยันอีกว่า ปรากฏการณ์ entanglement มีจริง และกลศาสตร์ควอนตัมสามารถใช้ได้กับอนุภาคเดี่ยว โดยไม่จำเป็นต้องใช้กับระบบที่มีหลายอนุภาคเท่านั้น ซึ่งเป็นเรื่องที่ต้องใช้สถิติ ในการทดลองของ Wineland เขาใช้ไอออนของอะตอม beryllium หนึ่งอะตอม โดยทำให้อะตอมสูญเสียอิเล็กตรอนไป 1 ตัว แล้วกักไอออนนี้ให้อยู่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า จากนั้นก็ทำให้ไอออนมีอุณหภูมิต่ำลง จนใกล้ถึงศูนย์องศาสัมบูรณ์ ซึ่งไอออนจะมีความเร็วน้อยมากจนเกือบหยุดนิ่ง จึงทำให้สามารถควบคุมได้ง่าย จากนั้นก็ฉายแสงเลเซอร์ 2 แสงที่มีความถี่แตกต่างกันเล็กน้อยเข้าไปกระทบไอออน โดยการควบคุมช่วงเวลาฉายแสงให้เหมาะสม ไอออนที่มีสปินขึ้นกับสปินลงก็จะถูกกระตุ้นให้มีพลังงาน 2 ระดับ และอยู่ด้วยกัน คือ ซ้อนทับกัน แล้ว Wineland ก็ฉายแสงเลเซอร์อีกคู่หนึ่งให้แทรกสอดกันไป ทำให้ไอออนส่ายไปมาด้วยความถี่ธรรมชาติ ในแอ่งคลื่น และถ้าให้ความถี่ของคลื่นนี้เหมาะสมมันจะแยกสถานะหนึ่งออกจากสถานะหนึ่ง คือ ทำให้สถานะหนึ่งเคลื่อนที่ในขณะที่อีกสถานะหนึ่งหยุดนิ่ง ดังนั้นสถานะทั้งสองจึงแยกจากกัน จนอยู่ห่างกันประมาณ 11 เท่าของขนาดของไอออน นั่นคือ ณ เวลานั้น ไอออนตัวเดียว สามารถอยู่ได้สองที่พร้อมกัน นี่คือการทดลองที่แสดงว่า ในอะตอมมีการซ้อนทับของสถานะ และการซ้อนทับนี้สามารถเกิดขึ้นและแยกจากกันได้ แต่เวลา Wineland วัดสมบัติของอะตอม เพราะสถานะทั้งสองจะอยู่แยกกัน ดังนั้นสถานะหนึ่งจะสลายเหลือเพียงอยู่สถานะเดียว ส่วน Haroche นั้น เขาคือผู้บุกเบิกเทคนิคด้าน cavity quantum electrodynamics ที่ช่วยให้นักฟิสิกส์สามารถปรับสถานะควอนตัมของอนุภาคแสง (photon) ที่สะท้อนไปมาระหว่างกระจก 2 บาน โดยการส่งอะตอม 1 ตัวไปผ่านแสงนั้น และ Haroche ก็ได้ทำให้ทุกคนเห็น แมว (เป็น+ตาย) ของ Schroedinger เช่นกัน ณ วันนี้ ทีมวิจัยของ Wineland ได้พัฒนาเทคนิคการกักไอออนจนสามารถควบคุมพฤติกรรมมันได้เป็นอย่างดี เพื่อสร้างนาฬิกาปรมาณูที่มีประสิทธภาพสูงมาก แต่ที่สำคัญกว่านั้น คือ เขาคิดว่างานนี้ในอนาคตจะนำไปสู่การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพสูงยิ่งกว่าคอมพิวเตอร์ธรรมดาได้เป็นล้าน ล้านเท่า ในการทดลองที่ Wineland ทำในปี 1995 เขาใช้ไอออนตัวเดียวทำ operation แบบ logic และในปี 2011 เมื่อเขาใช้ไอออน 15 ตัว เรียงกันก็สามารถคำนวณได้รวดเร็วยิ่งขึ้นไปอีก ซึ่งไอออน 15 ตัวนี้ทำงานได้เพียง 25% ของคอมพิวเตอร์ควอนตัมอุดมคติเท่านั้นเอง คอมพิวเตอร์ธรรมดานั้นทำงานโดยใช้ bit ที่มีค่า 0 กับ 1 แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะใช้ qubit (มาจาก quantum bit) ซึ่งมีได้หลายค่า (สถานะ) ในเวลาเดียวกัน ดังนั้น จึงสามารถคำนวณได้รวดเร็วกว่ามาก แต่การที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมให้มีขนาดใหญ่ (ไม่ใช่ใหญ่ขนาดไอออน) มีปัญหามาก เนื่องจาก qubit เหล่านี้ เปราะบางเป็นที่สุด นั่นคือการรบกวนแม้แต่เพียงน้อยนิดจากโลกภายนอกก็จะทำลาย qubit ตัวที่ถูกรบกวนทันที ซึ่งจะทำให้สถานะควอนตัมของมันสลายไปในพริบตา ทำให้ข้อมูลที่เก็บไว้ต้องสูญเสียไปด้วย ดังนั้น เมื่อใดก็ตามที่นักวิทยาศาสตร์สามารถทำให้ qubit คงตัว คือ ไม่สลาย หรือทำให้ qubit ตัวที่สลายไปแล้ว ฟื้นกลับมาได้เหมือนเดิม เราก็จะมีกระบวนการสารสนเทศควอนคัม (quantum information process) และคอมพิวเตอร์ควอนตัมทันที อ่านเพิ่มเติมจาก The Fabric of Reality โดย David Deutsch จัดพิมพ์โดย Penguin Books ในปี 1998 และ Quantum Computation and Quantum Information โดย Michael A. Nielsen และ Isaac L. Chuang จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press ในปี 2000
|