437 Quantum Technology จากแมวสุดพิศวง… สู่เทคโนโลยีควอนตัม EP.02

ปัจจุบันนักฟิสิกส์และวิศวกรพัฒนาขีดความสามารถในการจัดการระบบทางควอนตัมได้มากพอสมควร ทั้งการอ่านค่าสถานะ ควบคุม หรือสร้างสถานะหนึ่ง ๆ ทางควอนตัมตามต้องการ โดยใช้หลักการหรือปรากฏการณ์ทางควอนตัมบางอย่างหรือหลายอย่างร่วมกัน ที่สำคัญ ได้แก่ ควอนไทเซชันหลักความไม่แน่นอน การทะลุอุโมงค์ ดีโคฮีเรนซ์ (decoherence) การทับซ้อนของสถานะและการพัวพัน

เทคโนโลยีลักษณะนี้เรียกว่าเทคโนโลยีควอนตัม ๒.๐ และถือกันว่าเกิดจากการปฏิวัติทางควอนตัมครั้งที่ ๒ (The Second Quantum Revolution)

ในบทความ “Quantum Technology : The Second Quantum Revolution” ระบุถึง Quantum Technology 2.0 เอาไว้หลายรูปแบบ แต่สามารถแบ่งเป็นห้ากลุ่มหลัก ได้แก่

(๑) เทคโนโลยีสารสนเทศเชิงควอน-ตัม (Quantum Information Techno-logy) เป็นการจัดการข้อมูลโดยใช้หลักการและปรากฏการณ์ทางควอนตัม เช่น อัลกอริทึมเชิงควอนตัม (Quantum Algorithm) และการเข้ารหัสลับเชิงควอนตัม (Quantum Cryptography)

(๒) ระบบไฟฟ้า-เชิงกลแบบควอนตัม (Quantum Electromechanical Systems) เป็นอุปกรณ์เชิงกลระดับนาโนที่ทำงานได้ถึงระดับที่กลศาสตร์ควอนตัมยอมให้ทำได้

(๓) อิเล็กทรอนิกส์แบบโคฮีเรนต์ควอนตัม (Coherent Quantum Electronics) อุปกรณ์ที่สร้างขึ้นให้มีขนาดเล็กมากและสมบูรณ์แบบ เมื่อทำงานที่อุณหภูมิต่ำการเคลื่อนย้ายของประจุจะเป็นกระบวนการที่ไม่สูญเสียพลังงาน

(๔) ทัศนศาสตร์เชิงควอนตัม (Quantum Optics) ใช้หลักการว่าแสงทำตัวเป็นอนุภาคคือโฟตอนได้ เช่น การเทเลพอร์ตเชิงควอนตัม

(๕) เทคโนโลยีสสารแบบโคฮีเรนต์ (Coherent Matter Technology) ใช้หลักการที่ว่าสสารก็มีสมบัติเป็นคลื่นได้เช่นกัน

นอกจากหลักการและปรากฏการณ์ทางควอนตัมแล้ว เทคโนโลยีควอนตัม ๒.๐ ทุกรูปแบบยังจำเป็นต้องใช้ “ชุดเครื่องมือ” ซึ่งเป็น “แก่น” ของเทคโนโลยีนี้ ชุดเครื่องมือดังกล่าวมีสี่อย่าง ได้แก่ มาตรวิทยาเชิงควอนตัม (Quantum Metrology), การควบคุมเชิงควอนตัม (Quantum Control), การสื่อสารเชิงควอนตัม (Quantum Communication) และการคำนวณเชิงควอนตัม (Quantum Computation)

ต่อไปจะขอเล่าแง่มุมตัวอย่างที่สำคัญของชุดเครื่องมือเหล่านี้ พร้อมแถมบางเรื่องที่น่าสนใจ เช่น การรับรู้ การเทเลพอร์ต การจำลองเหตุการณ์ เอาไว้ด้วย

เป็นการใช้ปรากฏการณ์ทางควอนตัมตรวจวัดค่าของปริมาณทางกายภาพที่ต้องการระดับความแม่นยำสูงมาก ในทางอุดมคติ คือวัดค่าได้ละเอียดที่สุดเท่าที่ธรรมชาติจะยอมให้ทำได้ โดยมีอุปกรณ์คือตัวรับรู้เชิงควอนตัมหรือควอนตัมเซนเซอร์ (quantum sensor)

เดือนมีนาคม ค.ศ. ๒๐๑๙ ทีมวิจัยนำโดยศาสตราจารย์ไค บองส์ (Prof. Kai Bongs) แห่งมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮมได้รายงานการพัฒนาควอนตัมเซนเซอร์ตรวจจับความโน้มถ่วงซึ่งเรียกว่า Gra-vity Pioneer

เซนเซอร์นี้ใช้แสงเลเซอร์ทำให้อะตอมของธาตุรูบิเดียมเย็นตัวลงจนมีอุณหภูมิใกล้ศูนย์เคลวิน (ราว -๒๗๓ องศาเซลเซียส) โดยอะตอมจะถูกผลักให้พุ่งขึ้นในแนวดิ่งในสุญญากาศ จากนั้นจะถูกตรวจวัดโดยเซนเซอร์ในขณะที่ความโน้มถ่วงดึงอะตอมลงมา เนื่องจากอะตอมมีอุณหภูมิเย็นจัดใกล้ศูนย์เคลวิน มันจึงเคลื่อนที่ช้าและสามารถตรวจจับและวัดค่าได้ในขณะที่กำลังตกลงมา

ฟังแล้วอาจดูไกลตัว แต่คุณผู้อ่านอาจแปลกใจ เพราะเซนเซอร์แบบนี้มีศักยภาพใช้งานทางวิศวกรรมโยธา สามารถตรวจจับโครงสร้างใต้ดินที่อาจส่งผลต่อการก่อสร้าง เช่น หลุมยุบ หรือทางแคบและลึกเข้าสู่เหมือง ซึ่งจะช่วยให้ทีมวิศวกรสำรวจพื้นที่ก่อสร้างได้อย่างมั่นใจ ทั้งบนพื้นผิวและใต้พื้นผิว

ควอนตัมเซนเซอร์แบบอื่นที่สามารถตรวจจับสัญญาณไฟฟ้าอ่อนมาก ๆ ในร่างกายยังอาจใช้ศึกษาว่าสมองทำงานอย่างไร และช่วยตรวจจับโรคทางประสาทก่อนที่โรคนั้นจะก่อความเสียหายที่แก้ไขไม่ได้อีกด้วย

ใช้ปรากฏการณ์ทางควอนตัมในการวัดค่าของปริมาณต่าง ๆ ที่มีความสำคัญอย่างยิ่งยวดต่อการพัฒนาวิทยาศาสตร์ทุกสาขาให้แม่นยำยิ่งขึ้นไปอีกหลายระดับ เพราะเข้าใกล้ขีดจำกัดที่ธรรมชาติยอมให้ทำได้ โดยใช้การพัวพันซึ่งทำให้เราสามารถบรรจุข้อมูลปริมาณมากด้วยอนุภาคจำนวนไม่มากนัก การมีข้อมูลปริมาณมากในพื้นที่ที่เล็กลงทำให้ความไวของการตรวจวัดมีค่าสูง

ใน ค.ศ. ๒๐๐๙ มีการใช้คู่โฟตอนที่พัวพันกันเพื่อปรับปรุงกำลังแยกแยะ (resolution) ของภาพเทคนิคออปติคัล โคฮีเรนซ์โทโมกราฟี (optical coherence tomography, OCT)

ประเด็นสำคัญไม่ใช่เพียงแค่ว่าค่าที่วัดได้มีความแม่นยำสูงแต่ยังใช้อนุภาคเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้น ดังนั้นวิธีการนี้จึงไม่ทำให้สิ่งที่ถูกตรวจวัดเสียหายมากนัก จึงเหมาะกับระบบทางชีวภาพ เช่น การสร้างภาพภาคตัดขวางความละเอียดสูงของเรตินาในดวงตาคนเรา ซึ่งย่อมดีกว่าแสงเลเซอร์ที่อาจสร้างความเสียหายแก่เซลล์และเนื้อเยื่อต่าง ๆ ได้มากกว่า

มาตรวิทยาเชิงควอนตัมยังใช้ปรับปรุงความแม่นยำในการวัดค่าสนามแม่เหล็ก เทคนิคนี้เรียกว่า “ควอนตัมเอนแฮนซ์แมกนีโตเมทรี” (Quantum Enhanced Magnetometry) โดยอะตอมจะถูกส่งเข้าไปในสองบริเวณ บริเวณแรกไม่มีสนามแม่เหล็ก ส่วนอีกบริเวณมีสนามแม่เหล็กที่เราต้องการตรวจวัด สนามแม่เหล็กจะทำให้ “เฟส” (phase) ของอะตอมเปลี่ยนไป (กล่าวคือมองอะตอมเป็นคลื่น) หากเราทำให้อะตอมเกิดการพัวพันก็จะพบว่าความไวในการตรวจวัดสนามแม่เหล็กดีขึ้น

ยังมีการพูดถึงการใช้มาตรวิทยาเชิงควอนตัมยกระดับความไวในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงของหอสังเกตการณ์ LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) โดยทำให้แสงเลเซอร์ไวต่อสัญญาณรบกวนน้อยลง ทำให้การวัดยิ่งแม่นยำขึ้นไปอีก (จากเดิมซึ่งแม่นยำมากอยู่แล้ว)

ค.ศ. ๒๐๑๕ หอสังเกตการณ์ LIGO สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ทำนายไว้ได้เป็นครั้งแรก นับเป็นความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ครั้งสำคัญที่กลายเป็นข่าวดังทั่วโลก

เทคโนโลยีที่ซับซ้อนทุกอย่างจำเป็นต้องมีระบบควบคุม ซึ่งประกอบด้วยการให้ข้อมูลป้อนกลับและการแก้ไขความผิดพลาด ระบบควบคุมจะนำข้อมูลที่บันทึกไว้จากการตรวจวัดเข้ามาวิเคราะห์ ซึ่งข้อมูลเหล่านี้ย่อมมีสัญญาณรบกวนปะปนเข้ามาด้วย โดยผลการวิเคราะห์จะนำมาใช้ปรับปรุงระบบ ทั้งหมดนี้จำเป็นต้องใช้ทฤษฎีการควบคุมเชิงควอนตัม (Quantum Control Theory) เป็นหลัก

การเข้ารหัสลับสำหรับข้อมูลที่นิยมใช้กันในปัจจุบันคืออาร์เอสเอ (RSA) ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเริ่มจาก “จำนวนเฉพาะ” ที่มีค่ามากสองจำนวน จำนวนเฉพาะทั้งคู่นี้จะถูกเก็บเป็นความลับ แต่ผลคูณของมันซึ่งเป็นจำนวนที่ประกอบด้วยตัวเลขฐานสองยาวหลายพันตำแหน่งจะเป็นค่าที่สาธารณะรับรู้ได้

ความปลอดภัยของข้อมูลที่ใช้ระบบอาร์เอสเอขึ้นกับข้อเท็จจริงที่ว่า “ไม่มีทางลัด” ในการค้นหาตัวเลขเริ่มต้นสองหลักดังกล่าว ที่ผ่านมาวิธีการเดียวที่ทำได้คือ “การใช้กำลัง” นั่นคือทดลองหารด้วยจำนวนเฉพาะค่าต่าง ๆ ที่เป็นไปได้ทีละค่า ทั้งนี้หากตัวเลขมีค่ามากพอจะพบว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก (classical computer) หรือแบบที่เราใช้กันอยู่ทั่วไปในขณะนี้ จะใช้เวลานานมากอย่างเหลือเชื่อ เช่น ถ้าเข้ารหัสโดยใช้กุญแจดิจิทัลขนาด 2,048 บิต คอมพิวเตอร์แบบปรกติจะใช้เวลานานถึง ๓๐๐ ล้านล้านปี แต่หากใช้ควอนตัมคอมพิวเตอร์ขนาด 4,099 คิวบิต (ถ้าวันหนึ่งทำสำเร็จ) ก็จะใช้เวลาเพียงแค่ ๑๐ วินาทีเท่านั้น !

วิธีการหนึ่งที่จะทำให้ความเป็นส่วนตัวของเรากลับมาอีกครั้งคือการเข้ารหัสลับเชิงควอนตัม ในทางวิชาการเรียกว่าการแจกจ่ายกุญแจเข้ารหัสเชิงควอนตัม (quantum key distribution, QKD)

หัวใจสำคัญคือการสร้างกุญแจอย่างสุ่ม ๆ อย่างแท้จริง และไม่สามารถถูกสอดแนมได้อย่างสิ้นเชิง เนื่องจากหลักการทางกลศาสตร์ควอนตัมที่ว่าการสังเกตระบบจะเป็นการรบกวนระบบ ซึ่งจะทำให้ทั้งผู้ส่งสารและผู้รับสารรับรู้ได้ว่ากำลังถูกสอดแนม

มีการนำเทคนิค QKD ไปใช้ปกป้องข้อมูลแล้ว เช่น ในเดือนตุลาคม ค.ศ. ๒๐๐๗ ระบบเข้ารหัสเชิงควอนตัมพัฒนาโดย นิโคลัส กิซิน (Nicolas Gisin) และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยแห่งเจนีวาในสวิตเซอร์แลนด์ ได้ใช้ส่งโหวตอย่างปลอดภัยระหว่างคูหาลงคะแนนของเมืองกับสำนักงานที่นับคะแนนระหว่างการเลือกตั้งรัฐบาลกลางของสวิส

การส่งผ่านข้อมูลเชิงควอนตัมครั้งแรกไปในอวกาศทำสำเร็จใน ค.ศ. ๒๐๑๔ โดยใช้โฟตอนในสถานะเชิงควอนตัม 4 สถานะ (ตัวเลข 4 คือจำนวนต่ำสุดที่จำเป็นต้องใช้เข้ารหัสลับเชิงควอนตัม) ส่งขึ้นสู่อวกาศและส่งกลับมาจากดาวเทียมห้าดวงที่อยู่สูงขึ้นไปราว ๒,๖๐๐ กิโลเมตร

สิงหาคม ค.ศ. ๒๐๑๖ ประเทศจีนส่งดาวเทียมสื่อสารเชิงควอนตัมตัวแรกของโลกเพื่อทดสอบเทคโนโลยีนี้

“อินเทอร์เน็ต” แบบควอนตัมใน ค.ศ. ๒๐๒๐ MIT Technology Review ของสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซ็ตส์ (MIT) ได้นำเสนอ 10 Breakthrough Technologies 2020 โดยระบุว่าอินเทอร์เน็ตแบบควอนตัมเป็น ๑ ใน ๑๐ ของเทคโนโลยีที่จะส่งผลกระทบต่อโลก และเรียกว่าอินเทอร์เน็ตที่ไม่อาจถูกแฮก

สถิติระยะทางในการส่งข้อมูลผ่านอินเทอร์เน็ตแบบควอนตัมในช่วงต้น ค.ศ. ๒๐๒๐ ไกลกว่า ๑.๕ กิโลเมตรเล็กน้อย ส่วนสถิติในขณะที่เขียนบทความนี้ (กรกฎาคม ค.ศ. ๒๐๒๑) คือ ราว ๖๐๐ กิโลเมตร โดยใช้ไฟเบอร์ออปติกส์

ในภาพยนตร์ Sci-Fi อย่างเรื่อง สตาร์เทรค มีการเคลื่อนย้ายคนและสิ่งของต่าง ๆ จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยการ “บีม (beam)” และเรียกอุปกรณ์ที่ใช้ในการทำเช่นนั้นว่าทรานสปอร์เตอร์

แต่ในเทคโนโลยีควอนตัม การเคลื่อนย้ายไม่ได้กระทำต่อสสาร แต่เป็นการ “ย้าย” หรือ “เทเลพอร์ต (teleport)” ข้อมูลจากอนุภาคหนึ่งไปยังอีกอนุภาคหนึ่งโดยใช้การพัวพัน ในมุมมองของกล-ศาสตร์ควอนตัม หากอนุภาคสองตัวมีข้อมูลเหมือนกันจะถือว่าเราไม่สามารถบอกความแตกต่างได้ นั่นคือเป็นอนุภาคเดียวกัน

ใน ค.ศ. ๒๐๑๒ กลุ่มวิจัยนำโดยอันโทน ไซลิงเงอร์ แห่งมหาวิทยาลัยแห่งเวียนนา ได้เทเลพอร์ตข้อมูล 1 คิวบิต ระหว่างสองบริเวณในโลกไกล ๑๔๓ กิโลเมตร ส่วนในเดือนกันยายน ค.ศ. ๒๐๑๖ มีการเทเลพอร์ตเชิงควอนตัมผ่านโครงข่ายใยแก้วนำแสงเป็นระยะทางราว ๖.๒ กิโลเมตร

ค.ศ. ๑๙๘๒ ริชาร์ด ไฟยน์แมน (Richard Feynman) เสนอความคิดเกี่ยวกับการใช้กลศาสตร์ควอนตัมสร้างคอมพิวเตอร์ด้วยการจำลองเหตุการณ์ทางควอนตัม เขาชี้ให้เห็นว่าเป็นเรื่องยากที่จะใช้คอมพิวเตอร์แบบปรกติจำลองพัฒนาการของระบบทางควอนตัมบางระบบ แต่หาก “ตัวคอมพิวเตอร์สร้างขึ้นจากองค์ประกอบที่มีพฤติกรรมตามกฎกลศาสตร์ควอนตัม” แล้วละก็ การจำลองเหตุการณ์ย่อมจะง่ายขึ้นมาก คำกล่าวนี้เองที่ทำให้ถือกันว่าไฟยน์แมนเป็นผู้บุกเบิกแนวคิดการคำนวณเชิงควอนตัม

ราว ๓ ปีต่อมา ใน ค.ศ. ๑๙๘๕ นักฟิสิกส์ชื่อ เดวิด ด็อยตช์ (David Deutsch) ได้คิดค้นหลักการเชิงทฤษฎีชิ้นแรกเกี่ยวกับควอนตัมคอมพิวเตอร์ เขาเล่าถึงแรงบันดาลใจที่ทำให้เริ่มงานเกี่ยวกับการคำนวณเชิงควอนตัมว่า “เป็นความปรารถนา (ของผม) ที่จะเข้าใจรากฐานของทฤษฎีควอนตัมของฟิสิกส์ และของทุกสิ่งทุกอย่าง รากฐานของสาขาหนึ่งมีแนวโน้มที่จะทับซ้อนกับรากฐานของสาขาอื่น ๆ ยกตัวอย่างเช่น การคำนวณเชิงควอนตัมยังเกี่ยวกับไม่เพียงแค่รากฐานของทฤษฎีควอนตัม แต่ยังรวมถึงรากฐานของฟิสิกส์โดยทั่วไป และคณิตศาสตร์และปรัชญาอีกด้วย”

คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกประมวลข้อมูลโดยใช้การมีอยู่ (หรือการหายไป) ของประจุหรือกระแสไฟฟ้า เรียกสถานะนี้ว่า “บิต (bit)” ย่อจาก binary digit

บิตเชิงคลาสสิกจึงมีสองสถานะ ได้แก่ 0 หรือ 1 ทรานซิสเตอร์จะพลิกค่าของบิตเหล่านี้ทำให้เกิดเป็นประตูสัญญาณตรรกะ เช่น AND, OR และ NOT โดยการผสานรวมประตูสัญญาณตรรกะเหล่านี้ เราสามารถคำนวณอะไรก็ได้ที่มีหลักการรองรับ

ควอนตัมคอมพิวเตอร์ใช้ “การทับซ้อนของสถานะ” และบิตเชิงควอนตัมที่เรียกว่า คิวบิต (qubit) ซึ่งจะบรรจุค่า 0 และ 1 ในเวลาเดียวกัน

ในทางปฏิบัติ อาจสร้างคิวบิตได้หลายรูปแบบเช่น คิวบิตที่ใช้สภาพการนำไฟฟ้ายิ่งยวด (superconducting qubit), สปินคิวบิต (spin qubit), อะตอมที่เย็น (cold atom), แสงโพลาไรซ์ (polarized light), ลูกผสมระหว่างอะตอม-แสง (atom-light hybrid) เป็นต้น

การที่คิวบิตมีสถานะทับซ้อนกันได้นี้บ่งถึงความสามารถในการคำนวณที่เพิ่มขึ้น แต่พลังของควอนตัมคอมพิวเตอร์ยังขึ้นอยู่กับการที่สถานะของคิวบิตสามารถเกิดการพัวพันอีกด้วย การดำเนินการที่แตกต่างกันต่อส่วนต่าง ๆ ของการทับซ้อนในเวลาเดียวกัน ทำให้เกิดการประมวลผลแบบขนานที่ทรงพลัง เช่น คิวบิตเพียง 8 ตัวที่อยู่ในสถานะทับซ้อนและพัวพันกัน สามารถแทนค่าได้ถึง 2 ยกกำลัง 8 ค่า หรือ 256 ค่า นั่นคือทุกจำนวนตั้งแต่ 0 จนถึง 255 ในเวลาเดียวกัน (ขณะที่บิตคลาสสิก 8 บิต จะเก็บค่าได้ค่าเดียวระหว่างค่า 0 ถึง 255)

พลังในการคำนวณของควอนตัมคอมพิวเตอร์จะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ (exponential) เมื่อจำนวนคิวบิตเพิ่มขึ้น กล่าวคือ คิวบิตจำนวน n ตัว จะมีความสามารถประมวลข้อมูลเท่ากับบิตแบบคลาสสิกจำนวน 2 ยกกำลัง n ตัวอย่างเช่น ควอนตัมคอมพิวเตอร์ขนาด 400 คิวบิต (ถ้าสร้างสำเร็จ) จะมีพลังในการคำนวณเท่ากับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกที่มี 2 ยกกำลัง 400 บิต หรือเท่ากับ 10 ยกกำลัง 120 บิต (เลข 1 ตามด้วยเลข 0 จำนวน ๑๒๐ ตัว)

สถานะทับซ้อนและการพัวพันเป็นสิ่งที่ควบคุมได้ยาก กล่าวคือความร้อนใดๆ ที่หลงเหลืออยู่ สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า หรือการกระทบกระแทกทางกายภาพสามารถทำให้คิวบิตแปรสภาพไปเป็นบิตแบบคลาสสิกธรรมดา เรียกว่าเกิดดีโคฮีเรนซ์

การป้องกันสิ่งรบกวนนี้อาจใช้การทำความเย็นหรือระบบป้องกันการสั่นสะเทือนแบบไฮเทค แต่ถึงแม้กระนั้น เราก็สามารถใช้ควอนตัมคอมพิวเตอร์ได้ในชั่วระยะเวลาจำกัดก่อนที่การทับซ้อนของสถานะจะมลายไปหรือเกิดดีโค-ฮีเรนซ์ ระยะเวลาดังกล่าวเรียกว่า “เวลาโคฮีเรนซ์” (coherence time) ซึ่งเป็นตัวแปรสำคัญของควอนตัมคอมพิวเตอร์

โคฮีเรนซ์ & ดีโคฮีเรนซ์ หากระบบควอนตัมยังคงรักษาสภาพการพัวพันและการทับซ้อนเอาไว้ได้เมื่อระบบมีอันตรกิริยากับสิ่งแวดล้อม หรือเผชิญกับผลทางความร้อน นักฟิสิกส์จะเรียกว่าระบบมีโคฮีเรนซ์ (cohe-rence) แต่ในทางปฏิบัติ ยิ่งสสารมีจำนวนอะตอมมากเท่าไร ก็จะยิ่งทำให้โอกาสที่อะตอมเหล่านี้จะเกิดอันตรกิ ริยาต่อกันและต่อสิ่งแวดล้อมมีมากขึ้นเท่านั้น จนการพัวพันหรือการทับซ้อนอันเปราะบางจะถูกทำลาย เรียกปรากฏการณ์นี้ว่าดีโคฮีเรนซ์ (decoherence) หัวใจของการออกแบบและสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ก็คือการรักษาสภาพโคฮีเรนซ์เอาไว้ให้นานที่สุดจนการคำนวณเสร็จสิ้น หรือพูดอีกอย่างคือ เอาชนะการเกิดดีโคฮีเรนซ์ให้ได้นั่นเอง

IBM Research จัดแบ่งควอนตัมคอมพิวเตอร์ออกเป็นสามระดับตามพลังในการคำนวณไว้แบบนี้

ระดับแรก - ควอนตัมแอนนีลเลอร์ (Quantum Annealer) เป็นควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่ออกแบบมาให้โฟกัสที่ปัญหาเกี่ยวกับการหาคำตอบที่เหมาะสมที่สุด (optimization problem) เท่านั้น ไม่สามารถโปรแกรมให้ทำงานรูปแบบอื่นได้

ตัวอย่างเช่น D-Wave Systems ระบุว่าลูกค้าของบริษัทคือโฟล์กสวาเกน ใช้ควอนตัมแอนนีลเลอร์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตในส่วนการพ่นสีได้ถึงห้าเท่า โดยระบบค้นพบวิธีลดการสลับสีที่ต้องใช้ในสายการผลิตได้สำเร็จ และบริษัท Save-On-Foods สัญชาติแคนาดาอ้างว่าระบบของ D-Wave ช่วยให้บริษัทย่นเวลาวิเคราะห์งานธุรกิจที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ จาก ๒๕ ชั่วโมงต่อสัปดาห์เหลือเพียง ๒ นาที

อย่างไรก็ดีผู้เชี่ยวชาญระบุว่าควอนตัมแอนนีลเลอร์ไม่ได้มีความได้เปรียบเหนือคอมพิวเตอร์แบบปรกติแต่อย่างใด

ระดับที่ ๒ - ควอนตัมคอมพิวเตอร์แบบแอนะล็อกควอนตัม (Analog Quantum Computer) เป็นควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่สามารถจำลองอันตร-กิริยาเชิงควอนตัมอันซับซ้อนที่คอมพิวเตอร์แบบปรกติทำไม่ได้

ควอนตัมคอมพิวเตอร์ประเภทนี้อาจประยุกต์ใช้งานในด้านต่าง ๆ เช่น เคมีเชิงควอนตัม วัสดุศาสตร์ การหาคำตอบที่เหมาะสมที่สุด การสุ่มตัวอย่าง และพลศาสตร์เชิงควอนตัมคาดกันว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์ประเภทนี้จะมี 50 ถึง 100 คิวบิต

ระดับที่ ๓ - ควอนตัมคอมพิวเตอร์แบบสากล (Universal Quantum Computer) เป็นเป้าหมายสูงสุดของนักพัฒนา เนื่องจากควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถใช้งานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพควอนตัมคอมพิวเตอร์ประเภทนี้นอกจากจะทำทุกอย่างที่แบบแอนะล็อกควอนตัมทำได้แล้ว ยังมีศักยภาพการใช้งานในด้านอื่น ๆ อีก เช่น การเข้ารหัสลับ แมชชีนเลิร์นนิง และการคำนวณที่มีความปลอดภัย คาดกันว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์ประเภทนี้จะมีมากกว่า แสนคิวบิต

การที่ควอนตัมคอมพิวเตอร์มีความสามารถบางอย่างเหนือคอมพิวเตอร์แบบปรกติอย่างชัดเจน เรียกว่าอุตมภาพเชิงควอนตัม (quantum supremacy) คำว่า supremacy และอุตมภาพ แปลว่าความสุดยอด แต่บางครั้งก็เรียกง่าย ๆ ว่าความได้เปรียบเชิงควอนตัม (quantum advantage)

ค่าที่สำคัญในประเด็นนี้คือจำนวนคิวบิตสูงสุดที่คงสภาพโคฮีเรนซ์ขณะคำนวณ ขณะที่เขียนบทความนี้ (กรกฎาคม ๒๕๖๔) สถิติคือควอนตัมคอมพิวเตอร์ขนาด 76 คิวบิต (ทำงานโดยเฉลี่ย 43 คิวบิต) ที่ใช้โฟตอนซึ่งทีมนักวิจัยชาวจีนประกาศความสำเร็จเมื่อวันที่ ๓ ธันวาคม ค.ศ. ๒๐๒๐ ทีมนักวิจัยอ้างว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์ชื่อ จิ่วจาง (Jiuzhang) สามารถคำนวณได้ถึง ๑๐๐ ล้านล้านเท่าของอัตราเร็วของซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก

น่ารู้ด้วยว่าองค์กรแรกที่กล่าวอ้างเรื่องอุตมภาพเชิงควอนตัมคือ Google !

เดือนตุลาคม ค.ศ. ๒๐๑๙ ควอน-ตัมคอมพิวเตอร์ของ Google ชื่อ Sycamore ซึ่งมี 53 คิวบิต ได้คำนวณโจทย์ข้อหนึ่งเสร็จในเวลา ๒๐๐ วินาที

Google อ้างว่าหากให้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของ IBM ชื่อ Summit ลองคำนวณโจทย์เดียวกันนี้จะใช้เวลาถึง ๑ หมื่นปี หรือนานกว่าราว ๑,๕๐๐ ล้านเท่า แต่ IBM ไม่ยอมรับตัวเลขนี้ และกล่าวว่าอย่างเก่งก็แค่ราว ๑,๐๐๐ เท่าเท่านั้น

ใน ค.ศ. ๑๙๙๔ ปีเตอร์ ชอร์ (Peter Shor) ได้คิดค้นวิธีการอันรวดเร็วในการหาค่าแฟกเตอร์จำนวนเฉพาะของตัวเลขขนาดใหญ่ เรียกว่าอัลกอริทึมของชอร์ (Shor’s algorithm)

อัลกอริทึมอีกแบบหนึ่งคิดค้นโดยนักฟิสิกส์ชื่อ โลฟ โกรเวอร์ (Lov Grover) ใน ค.ศ. ๑๙๙๖ ให้สูตรซึ่งควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถค้นหาข้อมูลในฐานข้อมูลขนาดใหญ่ที่ยังไม่ได้จัดระเบียบข้อมูลได้อย่างรวดเร็ว กล่าวคือในการค้นหาข้อมูลสักค่าในฐานข้อมูลด้วยคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะใช้เวลาแปรผันตามจำนวนรายการข้อมูลคือ n เพราะไล่หาไปทีละค่า แต่ควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่ใช้อัลกอริทึมของโกรเวอร์จะใช้เวลาค้นหาแปรตามรากที่ 2 ของ n ตัวอย่างเช่น สำหรับฐานข้อมูลที่มี ๑ ล้านล้านรายการ หากแต่ละรายการใช้เวลาตรวจสอบ ๑ ในล้านวินาที จะพบว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกใช้เวลาเกือบ ๑๒ วัน ในขณะที่ควอนตัมคอมพิวเตอร์ใช้เวลาเพียง ๑ วินาทีเท่านั้น

คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก รวมทั้งซูเปอร์คอมพิวเตอร์ด้วยสามารถคำนวณเกี่ยวกับระบบทางควอนตัมที่มีจำนวนอนุภาคได้สูงสุดแค่ไม่กี่ร้อยอนุภาค เนื่องจากปริมาณการคำนวณจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วแบบทวีคูณตามความซับซ้อนของระบบควอนตัม

ขณะที่ควอนตัมคอมพิวเตอร์เหมาะสมกับการคำนวณระบบควอมตัม เพราะใช้พฤติกรรมเชิงควอนตัมของอนุภาคคำนวณโดยตรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการทับซ้อนของสถานะและการพัวพัน

ใน ค.ศ. ๑๙๙๙ เซท ลอยด์ (Seth Lloyd) และ ดี. เอบรัมส์ (D. Abrams) ได้แสดงให้เห็นว่าแนวคิดของไฟยน์แมนถูกต้อง ทั้งคู่ได้คิดค้นอัลกอริทึมเชิงควอนตัมที่ชัดเจนสำหรับคำนวณสมบัติของระบบควอนตัม เผยแพร่ในบทความชื่อ “Quantum algorithm providing exponential speed increase for finding eigenvalues and eigenvectors” ตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters

การจำลองเหตุการณ์เชิงควอนตัม หากทำสำเร็จจะส่งผลกระทบต่อวงการวิชาการ เช่น การคิดค้นสูตรยาชนิดใหม่ และการหาสูตรและโครงสร้างผลึกของวัสดุตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิวิกฤตสูง

ตัวอย่างการจำลองเหตุการณ์เชิงควอนตัมในระยะแรก เช่น ใน ค.ศ. ๒๐๑๖ ห้องปฏิบัติการคำนวณเชิงควอนตัมของ Google ในเวนิส รัฐแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา ได้ใช้ควอนตัมคอมพิวเตอร์จำนวน 3 คิวบิต คำนวณการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนในสถานะพลังงานต่ำสุดในโมเลกุลของไฮโดรเจน

ถัดมาเพียง ๑ ปี ใน ค.ศ. ๒๐๑๗ IBM ใช้ควอนตัมคอมพิวเตอร์ขนาด 7 คิวบิตคำนวณพลังงานสถานะพื้น (ground state energy) ของโมเลกุลเบริลเลียมไฮไดรด์ (beryllium hydride) ซึ่งมีสูตรเคมีคือ BeH2

แม้ว่าความสำเร็จเหล่านี้จะเกิดขึ้นกับการคำนวณโมเลกุลขนาดเล็ก ซึ่งยังห่างไกลจากโมเลกุลที่มีประโยชน์จริง ๆ อย่างเช่น ยาชนิดใหม่ วัสดุสำหรับวัสดุตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิวิกฤตสูง หรือเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเดิมแต่ก็นับว่ามีความสำเร็จก้าวหน้าขึ้นมาตามลำดับ แต่หากสามารถจำลองวัสดุดังกล่าวขึ้นมาได้ก็จะช่วยย่นเวลาการพัฒนาและการนำวัสดุต่าง ๆ มาใช้ประโยชน์เป็นอย่างมากเพราะลดการลองผิดลองถูกลงไป

ข้อมูลและเรื่องราวที่เล่าไว้ในบทความนี้เน้นประเด็นปรากฏการณ์ทางควอนตัมและเทคโนโลยีที่ใช้ความรู้จากกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งมี (หรือจะมี) บทบาทในชีวิตประจำวันของเรา

อย่างไรก็ดีเรื่องราวเกี่ยวกับควอน-ตัมยังมีแง่มุมอื่น ๆ ที่น่าสนใจหลายมิติ เช่น การประยุกต์ในวิชาต่าง ๆ เช่น เคมี ชีววิทยา ฟิสิกส์ของนิวเคลียส ฟิสิกส์ของอะตอมอุณหภูมิต่ำ ฟิสิกส์ของอนุภาค และจักรวาลวิทยา ตลอดจนการพัฒนาทฤษฎีความโน้มถ่วงเชิงควอนตัม (Quantum Gravity) ซึ่งเป็นหนึ่งในความฝันสูงสุดของนักฟิสิกส์ทฤษฎีที่ต้องการผนวกกลศาสตร์ควอนตัมเข้ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

การตีความกลศาสตร์ควอนตัมแบบอื่น ๆ นอกเหนือไปจากการตีความแบบโคเปนเฮเกน ตัวอย่างหนึ่งที่ฟังแล้วไม่แพ้ Sci-Fi คือการตีความแบบหลายโลก (many-world interpretation) ที่เชื่อว่า “ฟังก์ชันคลื่น” เป็นสิ่งมีอยู่จริงในเชิงวัตถุวิสัย แต่ไม่เชื่อเรื่องการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น และอธิบายว่าทุกครั้งที่มี

การตัดสินใจที่มีทางเลือก จะเกิดเอกภพ (universes) หรือโลก (worlds) ขึ้นมาใหม่ สอดคล้องกับเหตุการณ์ผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ทั้งหมด ! การตีความกลศาสตร์ควอนตัมมีกว่า ๑๐ แบบ ใครชอบคิดแนวปรัชญา หรือแนว Sci-Fi น่าจะสนุกกับแนวคิดต่าง ๆ เหล่านี้

นิยายวิทยาศาสตร์และภาพยนตร์แนว Sci-Fi ก็พาดพิงถึงกลศาสตร์ควอนตัมด้วยเช่นกัน อย่างซูเปอร์ฮีโร่ของ Marvel Universe คือ Ant-Man ได้หลุดเข้าไปใน “ดินแดนควอนตัม” (Quantum Realm) แถมกำลังเริ่มสร้างตอนใหม่ที่มีคำว่า quantum อยู่เต็ม ๆ ในชื่อว่า Ant-Man and the Wasp : Quantumania ตามแผนจะออกฉายในเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. ๒๐๒๓ ถึงตอนนั้นถ้าใครได้ชมเรื่องนี้ก็ลองหาว่ามีการอ้างถึงกลศาสตร์ควอนตัมในแง่ไหนบ้าง โดยใช้หลักการและปรากฏการณ์ต่าง ๆ ที่ให้ไว้ในบทความนี้ได้

ส่วนคำว่า “ควอนตัม” ที่ถูกอ้างถึงในสินค้า บริการ หรือแนวคิดต่าง ๆ นั้น ถ้าหากสนใจว่าเป็นสิ่งที่ใช้ความรู้จากทฤษฎีควอนตัมแท้ ๆ หรือไม่ก็ให้ดูว่ามีหลักการหรือปรากฏการณ์ทางควอนตัมอยู่หรือไม่

และถ้าอ้างว่ามี ก็ต้องตรวจสอบว่าวงการวิทยาศาสตร์ให้การยอมรับแนวคิดดังกล่าวมากน้อยเพียงใด

อีกไม่นานนับจากนี้ เราจะได้ใช้และได้รับผลกระทบจากเทคโนโลยีควอนตัม ๒.๐ มากขึ้นเรื่อย ๆ ถึงเวลานั้น คำว่า “ควอนตัม” คงจะปรากฏคู่กับสิ่งต่าง ๆ ในชีวิตประจำวันของเรามากขึ้นจนกลายเป็นเรื่องนิวนอร์มอลนั่นเอง

แหล่งข้อมูลอ้างอิง
หนังสือ
Gemma Lavender, Quantum Physics in Minutes. Quercus, 2017.

Jim Baggot. The Quantum Story, Second Edition. Landmark Science, 2016.

John Gribbin. Q is for Quantum. Phoenix Press, 2002.

J.P. McEvoy and Oscar Zarate. Introducing Quantum Theory, Totem Books.

The Quantum World : The disturbing theory at the heart of reality. John Murray Press, 2017

เว็บไซต์
Quantum Computing : tomorrow’s computing, today :
https://www.ibm.com/quantumcomputing/

IBM Q System One
https://www.research.ibm.com/quantum-computing/system-one/
Quantum Technology 2.0 :
https://www.tudelft.nl/over-tu-delft/strategie/vision-teams/quantum-internet-vision-team/basics-of-quantum-mechanics/quantum-technology-20

QUANTUM TECHNOLOGY : THE SECOND
QUANTUM REVOLUTION :
https://arxiv.org/ftp/quant-ph/papers/0206/0206091.pdf

YouTube
The Map of Quantum Physics
https://www.youtube.com/watch?v=gAFAj3pzvAA

The Quantum Technology in Your Pocket
https://www.youtube.com/watch?v=Dt_PSoZLjPE