นักฟิสิกส์เยอรมันทำ “ปากกาควอนตัม” จัดเรียงอะตอมเดี่ยวตามใจต้องการ ด้วยแสงเลเซอร์ นับเป็นก้าวสำคัญที่จะนำไปสู่การพัฒนาควอนตัมคอมพิวเตอร์ในอนาคต
นักฟิสิกส์ทั่วโลกต่างค้นหาวิธีดีที่สุดในการทำควอนตัมคอมพิวเตอร์ (quantum computer) ให้เป็นจริง และตอนนี้ทีมวิจัยของ สเตฟาน คูห์ร (Stefan Kuhr) และอิมมานูเอล บลอช (Immanuel Bloch) จากสถาบันทัศนศาสตร์ควอนตัมมักซ์พลังก์ (Max Planck Institute of Quantum Optics) ในการ์ชิง มิวนิค เยอรมนี ได้เข้าใกล้เป้าหมายดังกล่าวไปอีกก้าวใหญ่ ตอนนี้พวกเขาสามารถกำหนดที่อยู่และเปลี่ยนแปลงสปิน (spin) ของอะตอมเดี่ยวได้ด้วยแสงเลเซอร์ และจัดเรียงให้ได้ตามรูปแบบที่ต้องการ
การลงทะเบียนอนุภาคควอนตัมนับร้อย ที่สามารถกำหนดที่อยู่ได้นี้ จะเป็นประโยชน์ต่อการจัดเก็บและดำเนินการกับข้อมูลควอนตัม (quantum information) ในควอนตัมคอมพิวเตอร์ได้
ในการทดลองเพื่อนำเสนอนี้ ไซน์เดลีระบุว่านักวิยาศาสตร์ได้บรรจุอะตอมรูบิเดียม (rubidium) ที่ถูกทำให้เย็นลงด้วยเลเซอร์ลงไปในผลึกสังเคราะห์ของแสง ซึ่งเรียกว่า “แลตติซแสง” (optical lattices) ที่สร้างขึ้นจากการซ้อนทับของลำแสงเลเซอร์หลายๆ ลำ โดยอะตอมของรูบิเดียมจะลูกวางในแลตติซแสงในแบบเดียวกับที่เราวางลูกแก้วในแผงไข่
ก่อนหน้านี้หลายเดือน ทีมของคูห์รและบลอชได้สาธิตให้เห็นว่า แต่ละด้านของแลตติซแสงสามารถเติมอะตอมเดี่ยวๆ ลงไปได้อย่างแม่นยำ ด้วยการใช้ประโยชน์จากกล้องจุลทรรศน์ทำให้นักวิทยาศาสตร์เห็นภาพการจัดเรียงอะตอมต่ออะตอม และด้วยวิธีนี้เป็นการพิสูจน์ว่าโครงสร้างคล้ายเปลือกหอยของ “มอตต์อินซูเลเตอร์”* (Mott insulator) จะเป็นจริงได้
ลำเลเซอร์จะค่อยๆ ทำให้ชั้นพลังงานอิเล็กตรอน (electron shell) ของอะตอมเป้าหมายค่อยๆ ผิดรูป และวิธีดังกล่าวได้เปลี่ยนแปลงความแตกต่างพลังงานระหว่างสถานะสปินทั้งสองของอิเล็กตรอน ทั้งนี้ สปินมีพฤติกรรมเหมือนแท่งแม่เหล็กเล็กๆ ที่สามารถจัดเรียงใน 2 ทิศทางที่ตรงกันข้ามกัน
หากอะตอมถูกฉายแสงไมโครเวฟซึ่งสั่นพ้องกับสปินของอะตอมเป้าหมาย จะมีเพียงอะตอมเป้าหมายที่ดูดกลืนโฟตอนของไมโครเวฟ และเป็นเหตุให้สปินของของอะตอมกลับด้าน แต่อะตอมอื่นในแลตติซยังคงไม่ได้ผลกระทบใดๆ จากสนามไมโครเวฟ ด้วยหลักการดังกล่าวนักวิจัยใช้เลเซอร์เคลื่อนย้ายอะตอมที่สปินกลับด้านโดยย้ายจากจุดหนึ่งของแลตติซไปยังอีกจุดของแลตติซ ซึ่งพวกเขาสามารถจัดเรียงอะตอมได้ตามใจ 95% โดยที่อะตอมข้างเคียงไม่ได้รับอิทธิพลจากเลเซอร์ที่ใช้จัดเรียง
เริ่มต้นจากการจัดเรียง 16 อะตอมที่ร้อยเรียงกันในแลตติซข้างเคียงเหมือนสร้อยลูกปัด นักวิทยาศาสตร์ศึกษาว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อความสูงของแลตติซลดลงอย่างมาก ซึ่งอนุภาคจะสามารถ “ลอดผ่าน” ได้ตามกฎกลศาสตร์ควอนตัม แล้วพวกเขาก็เคลื่อนย้ายอะตอมจากแลตติซหนึ่งไปยังอีกแลตติซหนึ่ง แม้ว่าพลังงานของอะตอมไม่มากพอที่จะข้ามผ่านกำแพงระหว่างแลตติซได้
“ตราบเท่าที่ความสูงของแลตติซถึงจุดที่อนุญาตลอดผ่านได้ อนุภาคก็เริ่มวิ่งราวกับเป็นส่วนของการแข่งขันม้าเร็ว หากมองภาพอะตอมในแลตติซที่เวลาแตกต่างกันหลังจากเริ่มให้สัญญาณ เราจะสังเกตปรากฏการณ์ลอดผ่านตามกฎกลศาสตร์ควอนตัมของอนุภาคเดี่ยวขนาดใหญ่ในแลตติซแสงได้เป็นครั้งแรก” คริสตอฟ ไวเทนเบิร์ก (Christof Weitenberg) ว่าที่ด็อกเตอร์ผู้ร่วมศึกษางานวิจัยนี้อธิบาย
เทคนิคใหม่นี้จะทำให้เกิดการศึกษาที่น่าสนใจอีกมากเกี่ยวกับพลศาสตร์ของสถานะควอนตัมที่ปรากฏในระบบของแข็ง และยังเปิดมุมมองใหม่ในการจัดการข้อมูลควอนตัม ซึ่งคูห์รได้กล่าวถึงงานวิจัยต่อยอดที่ต้องทำต่อไป นั่นคือการทำความเข้าใจการดำเนินการะหว่างอะตอม 2 อะตอมที่ถูกเลือกในแลตติซต่อไป
*มอตต์อินซูเลเตอร์ - วัสดุที่ควรจะนำไฟฟ้าภายใต้ทฤษฎีแถบพลังงาน (band theory) แต่กลับเป็นฉนวนเมื่อทำการวัดที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งปรากฏการณ์ดังกล่าวขึ้นอยู่กับอันตรกริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอน ซึ่งไม่ได้ถูกพิจารณาตามทฤษฎีแถบพลังงาน (wikipedia)
