นักฟิสิกส์ทดลอง "ควอนตัมล่องหน" สำเร็จเป็นครั้งแรก




(เทคนิคนี้สามารถใช้เพื่อหยุดการสูญเสียข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ควอนตัม)


Quantum Computer คือ ระบบคอมพิวเตอร์ที่ทำงานด้วยศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีควอนตัมฟิสิกส์ ต่างจากของคอมพิวเตอร์ธรรมดาซึ่งทำงานบนระบบเลขฐานสอง (Binary Digits หรือ Bits) โดยในการคำนวณควอนตัมคอมพิวเตอร์นั้นจะใช้หน่วย Qubit (Quantum Bit) ซึ่งสามารถมีข้อมูลได้หลายสถานะในตำแหน่งเดียว ในขณะที่ Bits ธรรมดามีสถานะเป็นได้เพียงแค่ 0 หรือ 1 เท่านั้น 

แม้ว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์จะสามารถประมวลผลได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป แต่ในปัจจุบันก็ยังถูกใช้อยู่เพียงแค่ในวงการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เนื่องจากยังมีความสามารถอีกหลายด้านที่ยังไม่ถูกค้นพบ รวมถึงต้องใช้ข้อมูลปริมาณมหาศาลเพื่อให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์แสดงประสิทธิภาพได้อย่างเต็มที่ นอกจากนี้เทคโนโลยีควอนตัมสามารถปฏิวัติเซ็นเซอร์ การคำนวณและการสื่อสารได้ โดยเทคโนโลยีเหล่านี้สร้างขึ้นจากการศึกษาอนุภาคพลังงานและสสารที่เล็กที่สุด เพื่อรวบรวม สร้าง และประมวลผลข้อมูลในแบบที่เทคโนโลยีที่มีอยู่ทำไม่ได้ และอาจต้องใช้เวลาหลายปีในการพัฒนาเพื่อให้เต็มศักยภาพ

ทั้งนี้ ในโลกของควอนตัม อนุภาคขนาดเล็กที่ไร้ขอบเขต มีพฤติกรรมที่แปลกประหลาดและมักจะท้าทายตรรกะมากมาย พวกมันจะมีคุณสมบัติ 3 อย่างหนึ่งคือ การเชื่อมต่อระหว่างอนุภาคตั้งแต่สองอนุภาคขึ้นไปที่เรียกว่า "entanglement" (พัวพัน) ซึ่งในการวัดอนุภาคหนึ่งที่พัวพันกันนี้จะเปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับอนุภาคอื่นๆ คุณสมบัติที่สองคือ "superposition" (การซ้อนทับ) ซึ่งช่วยให้อนุภาคสามารถมีอยู่พร้อม ๆ กัน ทั้งในสถานะที่สามารถสังเกตได้ และไม่มีใครสังเกตเห็น และคุณสมบัติที่สามคือ "no cloning theorem" (ไม่มีทฤษฎีการโคลนนิ่ง) ซึ่งห้ามไม่ให้คัดลอกสถานะควอนตัมที่ไม่รู้จัก

แสงเลเซอร์สีน้ำเงินถูกใช้ในหนึ่งการทดลองที่ JILA
เพื่อวัดว่าสถิติควอนตัมสามารถส่งผลต่อการกระเจิงของแสงในก๊าซที่เย็นจัดของอะตอมสตรอนเทียมได้อย่างไร
(Cr.ภาพ: Christian Sanner, Ye labs/JILA)
ในสามสิ่งนี้ สิ่งที่แปลกประหลาดที่สุดคือแนวคิดของ "การซ้อนทับ" ซึ่งวัตถุสามารถมีอยู่พร้อม ๆ กันในสองสถานะหรือมากกว่า อย่างเช่น ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม อิเล็กตรอนอาจหมุนตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกา หรือทั้งที่หยุดนิ่งและสภาวะกระตุ้นในเวลาเดียวกัน 

นักฟิสิกส์ Erwin Schrödinger ได้เน้นย้ำถึงผลที่แปลกประหลาดบางอย่างของแนวคิดเรื่องการซ้อนทับกันไว้เมื่อกว่า 80 ปีที่แล้ว ด้วยการทดลองทางความคิดที่ระบุว่า แมวที่ติดอยู่ในกล่องที่มีแหล่งกำเนิดกัมมันตภาพรังสีอาจอยู่ในสถานะทับซ้อนซึ่งถือว่ามันทั้งมีชีวิตและความตาย ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ตั้งแต่นั้นมา นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์แล้วว่าในควอนตัม อนุภาคสามารถซ้อนทับกันได้จริงๆในระดับอะตอม แต่การที่ปรากฏการณ์ประหลาดดังกล่าวสามารถสังเกตพบได้ในโลกที่กว้างใหญ่และทุกวันของเรานั้น เป็นคำถามที่เปิดกว้างและมีการติดตามอย่างแข็งขัน

อย่างไรก็ตาม มีการค้นพบปรากฏการณ์ต่างๆ เกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมมากขึ้น และถูกอธิบายออกมาเป็นระยะทั้งในปี 2016 และ 2018 จนถึงปัจจุบัน การศึกษาใหม่ทางควอนตัมที่เผยแพร่เมื่อกลางเดือนพฤศจิกายน 2021 ในวารสาร journal Science โดยนักวิทยาศาสตร์ของสถาบันเทคโนโลยี Massachusetts Institute of Technology (MIT) ได้เปิดเผยหลักฐานของการปิดกั้น Pauli ซึ่งยืนยันว่าในขณะที่อะตอมถูกทำให้เย็นลงและถูกบีบอัดจนสุดความสามารถ มันจะกระจายแสงได้และจะมองไม่เห็นอย่างสมบูรณ์ ซึ่งการทดลองที่ให้ผลเป็นภาวะโปร่งใสเกือบสมบูรณ์แบบของสสารได้นี้ สำเร็จเป็นครั้งแรก หลังมีการทำนายทางทฤษฎีในเรื่องนี้เอาไว้เมื่อเกือบหนึ่งร้อยปีก่อน

วิธีที่อะตอมเชื่อมโยงกันเพื่อสร้างโมเลกุล รวมทั้งโมเลกุลอินทรีย์และกระบวนการทางชีววิทยา
 เป็นไปได้เพียงเพราะกฎการกีดกันของ Pauli ที่ควบคุมอิเล็กตรอน Cr.ภาพ Jenny Mottar

หลักการทางกลศาสตร์ควอนตัมดังกล่าวระบุว่า หากทำให้กลุ่มหมอกของสสารในสถานะก๊าซเย็นจัดจนเข้าใกล้อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ (-273.15 องศาเซลเซียส ) รวมทั้งทำให้มันมีความหนาแน่นสูงพอ กลุ่มหมอกนั้นจะสะท้อนและกระเจิงแสงลดลงเรื่อย ๆ จนผู้ทำการทดลองเห็นว่ามัน "ล่องหน" หายไปจากสายตาในที่สุด ปรากฎการณ์ดังกล่าวเรียกว่า Pauli blocking หรือ การยับยั้งการกระเจิงแสงของ Pauli ซึ่งเป็นปรากฎการณ์หนึ่งที่นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียชื่อเดียวกันได้ทำนายเอาไว้เมื่อปี 1925 โดยเขาระบุว่า การล่องหนของก๊าซสามารถเกิดขึ้นได้ เมื่ออะตอมของก๊าซสูญเสียคุณสมบัติตามธรรมชาติในการกระเจิงแสงไป

นักวิจัยอาวุโส Wolfgang Ketterle ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์จาก MIT กล่าวว่า สิ่งที่สังเกตเห็นเป็นรูปแบบพิเศษและเรียบง่ายอย่างหนึ่งของการปิดกั้น Pauli ซึ่งก็คือการป้องกันไม่ให้อะตอมทำอะไรตามธรรมชาติ เช่นกระจายแสง ซึ่งนี่เป็นการสังเกตที่ชัดเจนครั้งแรกว่าเอฟเฟกต์นี้มีอยู่จริง โดยแสดงให้เห็นปรากฏการณ์ใหม่ทางฟิสิกส์ และเทคนิคใหม่นี้สามารถใช้ในการพัฒนาวัสดุป้องกันแสงเพื่อป้องกันข้อมูลสูญหายในคอมพิวเตอร์ควอนตัม 

การสกัดกั้น Pauli blocking นั้น มาจากหลักการกีดกันของ Pauli ซึ่งกำหนดครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวออสเตรียชื่อ Wolfgang Pauli ในปี 1925 เขาตั้งข้อสังเกตว่าอนุภาคทั้งหมดที่เรียกว่า fermion เช่น โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ที่มีสถานะควอนตัมเหมือนกัน ไม่สามารถมีอยู่ในพื้นที่เดียวกัน
 
เนื่องจากในระดับควอนตัมที่ซับซ้อนมีสถานะพลังงานจำนวนจำกัด สิ่งนี้บังคับให้อิเล็กตรอนในอะตอมเรียงตัวกันเป็นเปลือกที่มีระดับพลังงานสูงกว่าที่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมมากขึ้น นอกจากนี้ ยังช่วยแยกอิเล็กตรอนอื่นๆ ของอะตอมออกจากกัน ซึ่งเป็นไปตามรายงานในวารสารฟิสิกส์คณิตศาสตร์ในปี 1967 ที่ร่วมประพันธ์โดยนักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงอิสระ Freeman J. Dyson และ A. Lenard ระบุว่าหากไม่มีหลักการกีดกันอะตอม อะตอมทั้งหมดจะยุบตัวเมื่อระเบิดด้วยพลังงานขนาดใหญ่

อิเล็กตรอนของอะตอมถูกจัดเรียงในเปลือกพลังงาน เช่นเดียวกับผู้ชมคอนเสิร์ตในเวที 
อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะมีเก้าอี้เพียงตัวเดียวและไม่สามารถย้ายไปไหนได้หากเก้าอี้ทั้งหมดถูกครอบครอง คุณสมบัติพื้นฐานของฟิสิกส์ปรมาณูนี้
เรียกว่า หลักการกีดกัน Pauli ซึ่งอธิบายโครงสร้างเปลือกของอะตอม ความหลากหลายของตารางธาตุ และความเสถียรของจักรวาลวัตถุ
การที่มองไม่เห็นวัตถุ นักวิจัย Ketterle อธิบายว่า ในฐานะที่เป็นอะตอมเย็นพวกมันจะสูญเสียพลังงานที่มีอยู่ทั้งหมด และสร้างสสารประเภทหนึ่งที่เรียกว่า Fermi sea  ขณะนี้อนุภาคถูกปิดล้อมโดยกันและกันและไม่สามารถเคลื่อนที่ไปยังระดับพลังงานอื่นได้ เมื่อถึงจุดนี้ พวกมันจะซ้อนกันอยู่เหมือนผู้ชมคอนเสิร์ตที่นั่งอยู่ในบล็อกที่จำหน่ายตั๋วหมดแล้ว และไม่มีที่ไปหากถูกโจมตี หมายถึง พวกมันจะอัดแน่นมากจนอนุภาคไม่สามารถโต้ตอบกับแสงได้อีกต่อไป
ดังนั้น แสงที่ส่องเข้ามาภายในจะผ่านไปในแนวตรง จึงสอดคล้องกับหลักการ Pauli  กล่าวคือ อะตอมสามารถกระจายโฟตอนได้ก็ต่อเมื่อสามารถดูดซับแรงเตะได้โดยการย้ายไปที่เก้าอี้ตัวอื่น ถ้าเก้าอี้ตัวอื่นๆ ถูกครอบครอง จะไม่สามารถดูดซับแรงเตะและกระจายโฟตอนได้อีกต่อไป ดังนั้น อะตอมจึงโปร่งใส

การทดลองนี้มีศักยภาพในการพัฒนาวัสดุที่ยับยั้งอนุภาคของแสง ซึ่งจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อการทำงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมประสิทธิภาพสูงในอนาคต เนื่องจากการทำให้เกิดปรากฎการณ์ดังข้างต้น จะป้องกันไม่ให้คอมพิวเตอร์สูญเสียข้อมูลควอนตัมไปกับโฟตอน ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่ในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมในทุกวันนี้

งานวิจัยชิ้นนี้ได้รับทุนสนับสนุนบางส่วนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติและกระทรวงกลาโหม (National Science Foundation and the Department of Defense) และการทำงานที่เกี่ยวข้องโดยทีมงานจากมหาวิทยาลัย Colorado และมหาวิทยาลัย Otago จะลงไว้ในฉบับเดียวกันของวารสารด้วย


โลกควอนตัมคือโลกที่เล็กกว่าอะตอม สิ่งต่าง ๆ ในระดับนี้ไม่เหมือนกับวัตถุบนมาตราส่วนที่เรามองเห็น
Cr.EZUMELIMAGES / ISTOCKPHOTO


Pauli Exclusion Principle - หลักการกีดกันของ Pauli
กลุ่มวิจัยอิสระสามกลุ่มพบการรวมตัวกันของหลักการกีดกันของ Pauli ในก๊าซปรมาณูเย็นจัด เรียกว่าการปิดกั้น Pauli
ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออะตอมของ fermionic ในก๊าซควอนตัมไม่สามารถเปลี่ยนสถานะเป็นสถานะควอนตัมในบริเวณใกล้เคียงได้
 แต่ในการทดลองสามครั้ง Pauli blocking ลดความสามารถของอะตอมในการกระจายแสง ทำให้ก๊าซโปร่งใสมากขึ้น
 สักวันหนึ่งผลกระทบนี้สามารถนำไปใช้ในการปรับปรุงเทคโนโลยีโดยอาศัยอะตอมที่เย็นจัด เช่น นาฬิกาออปติคัลและตัวทำซ้ำควอนตัม

Cr.https://www.livescience.com/gas-made-so-cold-invisible / By Ben Turner 
Cr.https://news.mit.edu/2021/atoms-ultracold-scatter-light-1118 / Jennifer Chu | MIT News Office
Cr.https://www.gao.gov/products/gao-20-527sp
Cr.https://www.bbc.com/thai/international-59364939
Cr.https://presstories.com/2021/11/21/the-extraordinary-quantum-effect-that-can-make-matter-invisible-was-first-demonstrated-by-scientists/CARY DOUGLAS 
Cr.https://phys.org/news/2016-07-weird-quantum-effects-hundreds-miles.html / by Massachusetts Institute of Technology

(ขอขอบคุณที่มาของข้อมูลทั้งหมดและขออนุญาตนำมา) 

แสดงความคิดเห็น
โปรดศึกษาและยอมรับนโยบายข้อมูลส่วนบุคคลก่อนเริ่มใช้งาน อ่านเพิ่มเติมได้ที่นี่