เจาะลึกวิวัฒนาการทฤษฎีควอนตัมและการประยุกต์ใช้
เสวนาพิเศษ Nobel Prize in Mahidol Science Café Vol.3: Spooky action at a distance: quantum entanglement that frightened Einstein wins 2022 Nobel prize in Physics
โดยอาจารย์ผู้เชี่ยวชาญด้านควอนตัม ศิษย์เก่าภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล อาทิ
ดร.ธนภัทร์ ดีสุวรรณ จากภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
ดร.เอกรัฐ พงษ์โอภาส และ ดร.รุจิภาส บวรทวีปัญญา จากสาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์
ดร.ฟัตต๊ะห์ สกุลดี จาก International Centre for Theory of Quantum Technologies (ICTQT), University of Gdansk, Poland
ดร.ธนภัทร์ ดีสุวรรณ ได้เล่าพื้นฐานแนวคิดของทฤษฎีควอนตัมว่า เป็นทฤษฎีที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์ในระบบขนาดเล็ก ๆ เช่น ชั้นพลังงานของอะตอม การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน เป็นต้น โดยเปลี่ยนมุมมองว่าอนุภาคสามารถประพฤติตัวเป็นคลื่นได้ ซึ่งช่วยให้เราเข้าใจพฤติกรรมของสิ่งเล็ก ๆ ได้ดียิ่งขึ้น แต่ทฤษฎีนี้กลับไม่สามารถระบุตำแหน่งและการเคลื่อนที่ที่ชัดเจนของสิ่งที่เราสนใจศึกษาได้ โดยบอกได้เป็นค่าความน่าจะเป็นเสมอ
ด้วยเหตุนี้จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนรวมถึง อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) คิดว่าทฤษฎีควอนตัมนั้นไม่ผิดแต่เป็นทฤษฎีที่ไม่สมบูรณ์ เนื่องจากมองว่าทฤษฎีที่สมบูรณ์จะต้องบอกค่าของสิ่งต่าง ๆ ได้อย่างชัดเจน นำไปสู่การร่วมกับนักฟิสิกส์อีก 2 ท่านคือ บอริส โพโดลสกี้ (Boris Podolsky) และ นาธาน โรเซน (Nathan Rosen) เรียกชื่อทั้ง 3 ท่านย่อ ๆ ว่า EPR เสนอการทดลองเชิงความคิดเพื่อพิสูจน์ว่าทฤษฎีควอนตัมนั้นไม่สมบูรณ์ ซึ่งแม้ว่าข้อโต้แย้งของไอน์สไตน์นั้นจะค่อนข้างน่าเชื่อถือและสอดคล้องกับสามัญสำนึกปรกติ แต่ก็ยังไม่สามารถที่จะแสดงอย่างไร้ข้อโต้แย้งได้อยู่ดีว่าธรรมชาติไม่ได้เป็นไปตามที่ทฤษฎีควอนตัมบรรยาย เพราะผลจากการทดลองเชิงความคิดของไอน์สไตน์และแบบควอนตัมนั้นยังคงสอดคล้องกันทุกประการ และทำให้การถกเถียงเกี่ยวกับความสมบูรณ์ของทฤษฎีควอนตัมนั้นกลายไปเป็นคำถามเชิงปรัชญาเพราะไม่มีใครหาวิธีทำการทดลองจริงเพื่อพิสูจน์ได้ว่าแนวคิดแบบใดกันแน่ที่ถูกต้องสอดคล้องกับธรรมชาติจริง ๆ
เวลาผ่านไปกว่า 29 ปี จอห์น สจวร์ต เบลล์ (John Stewart Bell) นักฟิสิกส์ชาวไอร์แลนด์เหนือ จึงได้นำเสนอการทดลองเชิงความคิดขึ้นมาและนำมาสู่การสร้างเป็นอสมการของเบลล์ (Bell’s inequality) ที่ทำให้สามารถแยกคำอธิบายแต่ละแบบออกจากกันได้ และเป็นการทำให้คำถามเชิงปรัชญากลับมาเป็นวิทยาศาสตร์อีกครั้ง แต่ในตอนนั้นก็ยังไม่มีการทดลองจริง ๆ เกิดขึ้น
จนกระทั่งปี ค.ศ. 1972 ดร.จอห์น ฟรานซิส เคลาเซอร์ (John F. Clauser) นักฟิสิกส์ทฤษฎีและการทดลองชาวอเมริกัน ได้พัฒนาแนวคิดจากอสมการของเบลล์สู่การทดลองจริงได้เป็นครั้งแรก และชี้ให้เห็นว่าทฤษฎีควอนตัมเป็นจริง ซึ่งผลงานนี้ทำให้ ดร.เคลาเซอร์ ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปีนี้นั่นเอง
ดร.เอกรัฐ พงษ์โอภาส ได้อธิบายงานของ ดร.เคลาเซอร์ ที่แยกอนุภาคของแสงจากอะตอมของแคลเซียมเป็น 2 อนุภาค เพื่อทำการวัดค่า spin ซึ่งเป็นสมบัติโมเมนตัมการหมุนของอนุภาค และพบว่าเมื่อเราวัดอนุภาคตัวหนึ่งได้ค่า spin up อีกอนุภาคจะได้ค่า spin down ทันที ซึ่งตรงตามที่ทฤษฎีควอนตัมทำนาย ทั้งยังเป็นการยืนยันว่าความพัวพันทางควอนตัมมีอยู่จริง โดยการความรู้ถึงสถานะของอนุภาคนี้ดูเหมือนมีความเร็วมากกว่าแสง ซึ่งขัดกับสิ่งที่ทฤษฎีสัมพันธภาพของไอน์สไตน์กล่าวไว้ และการทดลองนี้ยังมีช่องโหว่ที่ทำให้สงสัยได้ว่าเครื่องวัดอนุภาคมีการส่งสัญญาณถึงกันได้ มากกว่าจะผลการทดลองจะมาจากความพัวพันจริง ๆ
ต่อมาในปี ค.ศ. 1982 ศาสตราจารย์ อาลอง แอสเปต์ (Alain Aspect) นักฟิสิกส์เชิงทดลองชาวฝรั่งเศส จากมหาวิทยาลัยปารีส-ซาเคลย์ของฝรั่งเศส ได้ทำการทดลองซึ่งปิดช่องโหว่นี้ลงได้สำเร็จโดยสร้างเครื่องมือเพื่อสลับการวัดสภาวะโพลาไรเซชั่น (polarization) ของอนุภาคแสง (photon) ให้เร็วกว่าที่สัญญาณระหว่างเครื่องวัดทั้งสองจะส่งถึงกันได้
จึงทำให้ ศาสตราจารย์แอสเปต์ ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปีนี้ จากการปิดช่องโหว่นี้ และยืนยันความพัวพันทางควอนตัมเช่นกัน
จึงทำให้สรุปได้ว่าเมื่อเราแยกอนุภาคของแสงออกจากกันและทำการวัดค่าของอนุภาคตัวหนึ่ง ค่าของอนุภาคอีกตัวจะเปลี่ยนเป็นอีกค่าทันที ไม่ว่าจะอยู่ห่างไกลแค่ไหน ซึ่งเป็นพื้นฐานในการนำไปพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมที่น่าทึ่ง
และต่อมา ศาสตราจารย์ แอนทัน ไซลิงเงอร์ (Anton Zeilinger) จากมหาวิทยาลัยเวียนนาของออสเตรีย ได้ขยายผลทฤษฎีควอนตัมสู่การประยุกต์ใช้ ผ่านการสาธิตแนวคิดเกี่ยวกับการเคลื่อนย้ายสถานะทางควอนตัม (quantum teleportation) จึงเป็นเหตุให้ ศาสตราจารย์ไซลิงเงอร์ ได้รับรางวัลโนเบลในปีนี้จากการประยุกต์ใช้ทฤษฎีควอนตัม
ในประเด็นนี้ ดร.ฟัตต๊ะห์ สกุลดี ได้อธิบายแนวคิดว่าในการเคลื่อนย้ายสถานะทางควอนตัมว่า เราไม่สามารถส่งต่อข้อมูลต้นฉบับโดยคัดลอกข้อมูลเหมือนการถ่ายเอกสารได้ แต่สามารถส่งต่อข้อมูลคล้ายกับการส่ง Fax โดยเมื่อส่งต่อข้อมูลไปยังปลายทางแล้ว ข้อมูลที่ต้นทางจะหายไป ทำให้การส่งต่อข้อมูลนั้นมีประสิทธิภาพและมีความปลอดภัยมากขึ้น
ดร.รุจิภาส บวรทวีปัญญา ได้เล่าถึงการประยุกต์ใช้ทฤษฎีควอนตัมเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีในปัจจุบันและอนาคต โดยใช้ประโยชน์จาก quantum entanglement ในด้านต่าง ๆ เช่น
- quantum Sensing ซึ่งจะช่วยให้การรับ-ส่ง สัญญาณมีความแม่นยำขึ้น ซึ่งสามารถนำมาปรับปรุงเทคโนโลยี GPS ให้มีความแม่นยำมากขึ้นในอนาคต
- quantum Internet ทำให้เราสามารถส่งข้อมูลได้อย่างปลอดภัยและกว้างไกลขึ้น
ซึ่งคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดลเองก็ได้มีการพัฒนาโปรแกรมที่ชื่อว่า qwanta สำหรับจำลอง quantum Internet และ quantum algorithm ซึ่งทำให้เราสามารถจำลองเพื่อศึกษาประสิทธิภาพการทำงานของ quantum internet ได้แม่นยำมากขึ้น และเพื่อใช้ในการออกแบบ quantum internet เป็นต้น
ท้ายที่สุดแล้ว เมื่อเรามองย้อนกลับไปตั้งแต่ต้น จะเห็นได้ว่าการพัฒนาทฤษฎีควอนตัมจากแนวคิดสู่การประยุกต์ใช้ไม่ได้เกิดจากการคิดค้นของคนเพียงคนเดียว แต่เป็นการสานต่อความรู้หนึ่งสู่ความรู้หนึ่ง จากการที่มนุษย์พยายามดิ้นรนหาคำตอบเพื่อเข้าใจธรรมชาติอย่างแท้จริง
