ลองอ่าน 437 Quantum Technology จากแมวสุดพิศวง…สู่ เทคโนโลยีควอนตัม EP.01

ในบรรดา deep tech ต่าง ๆ ที่เป็นประเด็นร้อนแรงในปัจจุบัน หลายอย่างใช้งานแล้ว เช่น ปัญญาประดิษฐ์ในซอฟต์แวร์และแอปพลิเคชันต่าง ๆ และบล็อกเชนซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่อยู่เบื้องหลังคริปโตเคอเรนซี แต่ที่ดูไกลตัวสักหน่อยคือการคำนวณเชิงควอนตัมหรือพูดถึงตัวฮาร์ดแวร์ก็คือ ควอนตัมคอมพิวเตอร์

การคำนวณเชิงควอนตัมเป็นตัวอย่างของเทคโนโลยีควอนตัมซึ่งเกิดขึ้นได้เนื่องจากมนุษย์มีความรู้ที่ลึกซึ้งมากเพียงพอจะอธิบายว่าองค์ประกอบของสสารทำงานอย่างไร มีปฏิสัมพันธ์กับแสงอย่างไร ที่สำคัญคือสามารถประยุกต์หลักการและปรากฏการณ์ต่าง ๆ ไปใช้ออกแบบอุปกรณ์

ความรู้ดังกล่าวเรียกว่ากลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) ซึ่งถือกันว่าเป็นทฤษฎีทางกายภาพที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดทฤษฎีหนึ่งในวงการวิทยาศาสตร์ และมีบทบาทสำคัญในวิทยาการสาขาอื่น ๆ เช่น เคมี ชีววิทยาฟิสิกส์ของนิวเคลียส ฟิสิกส์ของอะตอมอุณหภูมิต่ำ ฟิสิกส์ของอนุภาค และจักรวาลวิทยา รวมทั้งการตีความทางปรัชญา

แต่แง่มุมที่น่าพิศวงก็คือ หลักการและปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในกลศาสตร์ควอนตัมล้วนแต่ขัดกับสามัญสำนึกอย่างเหลือเชื่อเปรียบเทียบง่าย ๆ ว่าถ้าคุณผู้อ่านเป็นอนุภาคควอนตัม คุณจะสามารถอยู่ในสถานที่สองแห่งได้พร้อม ๆ กันในเวลาเดียวกัน ! เคลื่อนที่ฝ่ากำแพงที่เกินกว่าศักยภาพหรือพลังงานที่คุณมีอยู่ !

หรือถ้าคุณเกิดการพัวพันกับเพื่อนที่เป็นอนุภาคควอนตัม จะพบว่าแม้คุณสองคนจะอยู่ห่างไกลกันคนละกาแล็กซี แต่อะไรบางอย่างที่เกิดขึ้นกับคุณก็จะทำให้เพื่อนของคุณรับรู้ได้ในทันที (ไม่ใช้เวลาแม้แต่น้อย !) นักฟิสิกส์คุ้นเคยกับเรื่องเหล่านี้ จนกระทั่งค้นพบกฎที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์มานานหลายสิบปีแล้ว เรียกความเข้าใจนี้ว่าการปฏิวัติทางควอนตัมครั้งที่ ๑ และนำความรู้เหล่านี้ไปประดิษฐ์อุปกรณ์ต่าง ๆ เป็นเทคโนโลยีที่เรียกว่าเทคโนโลยีควอนตัม ๑.๐ ในช่วงปลายศตวรรษที่ ๒๐ จนถึงปัจจุบัน มีแนวโน้มใหญ่เรื่องหนึ่งคือ วิศวกรต้องการย่อขนาดสิ่งประดิษฐ์ทางเทคโนโลยีให้เล็กลงไปเรื่อย ๆ เมื่อถึงจุดหนึ่งหลักการและกฎเกณฑ์ในกลศาสตร์ควอนตัมจึงเข้ามาเกี่ยวข้องอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ นอกจากนี้ยังพบว่ากลศาสตร์ควอนตัมเปิดโอกาสให้เรายกระดับสมรรถนะของสิ่งประดิษฐ์ต่าง ๆ จนถึงระดับที่ธรรมชาติยอมให้มีได้ และนี่คือกำเนิดของเทคโนโลยีควอนตัม ๒.๐ ซึ่งนักฟิสิกส์และวิศวกรนักประดิษฐ์สามารถควบคุมและใช้งานกฎเกณฑ์ของกลศาสตร์ควอนตัมในการออกแบบและสร้างอุปกรณ์สุดแสนไฮเทคแต่ก่อนที่ผมจะพาคุณผู้อ่านท่องโลกเทคโนโลยี เราควรจะเข้าใจเบื้องหลังที่มาของกลศาสตร์ควอนตัมเท่าที่จำเป็นเสียก่อน

หมายเหตุ
บทความนี้ใช้เลขอารบิกสำหรับหน่วยทางควอนตัม เคมี และคอมพิวเตอร์ ใช้เลขไทยสำหรับการแสดงปีและจำนวนทั่วไป

ปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่อนุภาคคู่หนึ่งเชื่อมโยงทางกายภาพกันในลักษณะที่ว่าการเปลี่ยนแปลงสถานะทางควอนตัมของอนุภาคหนึ่งจะมีผลกระทบ “ทันทีทันใด” กับอีกอนุภาคหนึ่ง ไม่ว่าอนุภาคทั้งสองจะอยู่ห่างกันแค่ไหนก็ตาม

แม้แต่คนละฟากฝั่งของเอกภพ !

บางคนนำเปรียบเล่น ๆ กับคู่รักที่รักกันหวานชื่น คือแม้ตัวจะอยู่ห่างไกลกันสุดขอบฟ้า แต่จิตใจผูกพันกันราวกับว่าอยู่ใกล้ ๆ กัน…ว่าไปนั่นเลย !

สมมุติว่าเดิมอนุภาคควอนตัมตั้งต้นซึ่งมีสปินเท่ากับ 0 สลายตัวกลายเป็นอนุภาคสองตัวซึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกัน เนื่องจากอนุภาคที่เกิดใหม่คู่นี้มาจากต้นกำเนิดเดียวกันจึงเกิดการพัวพันกัน อนุภาคที่เกิดใหม่อาจมีทิศทางของสปินได้สองทิศทาง เช่น สปินขึ้น กับสปินลง

หากเรายังไม่ได้ตรวจวัดว่าอนุภาคแต่ละตัวมีสปินอย่างไร เราจะบอกได้เพียงแค่ว่าอนุภาคแต่ละตัวมีสปินอยู่ในสถานะทับซ้อนกัน คือ มีสปินชี้ขึ้นโดยความน่าจะเป็นค่าหนึ่ง และมีสปินชี้ลงด้วยความน่าจะเป็นอีกค่าหนึ่ง แต่เมื่อใดก็ตามที่เราตรวจวัดสปินของอนุภาคตัวหนึ่ง เช่น ตัวที่อยู่ทางซ้าย และพบว่ามีสปินขึ้น สิ่งที่เกิดขึ้นคืออนุภาคตัวที่อยู่ทางขวาจะมีสปินลง “ทันที”