ใครคนใดที่ได้เผชิญโลกควอนตัมเป็นครั้งแรกมักจะรู้สับสนและงุนงงเป็นที่สุด แต่ถ้าคุณรู้สึกเฉยๆ คือรับรู้ และรับทราบ นั่นแสดงว่า คุณไม่เข้าใจทฤษฎีควอนตัมเลย แต่ถ้าเริ่มมีประเด็นสงสัย นั่นแสดงว่า คุณเริ่มเข้าใจ และถ้าคุณพยายามจะเข้าใจเรื่องทั้งหมดให้สมบูรณ์ คุณก็จะพบว่าไม่มีอะไรต้องเข้าใจเพิ่มอีก เพราะมันเป็นเรื่องลึกลับสุดพรรณา
ไม่เพียงคุณเท่านั้นที่มี “ปัญหา” ลักษณะนี้ แม้แต่ซูเปอร์ปราชญ์เช่น Einstein และ Schroedinger เองก็ไม่ยอมรับในความหมายเชิงปรัชญาของทฤษฎีควอนตัมเช่นกัน จน Einstein เองถึงกับปรารภว่า นี่คือศาสตร์แบบปีศาจ
สมบัติประเด็นแรกของระบบควอนตัมที่ทำให้ทุกคนประหลาดใจคือ ทวิภาพของแสง ที่แสดงว่าแสงเป็นอนุภาคก็ได้หรือคลื่นก็ได้ ในอดีต Isaac Newton เคยคิดว่า แสงเป็นอนุภาค แต่เมื่อมีผู้แย้งว่า ถ้าเป็นอนุภาคจริง เวลาแสงปะทะแสงตรงๆ อนุภาคก็จะต้องตกลงกองที่พื้น แต่ไม่มีใครเคยประสบเหตุการณ์เช่นนั้น Newton จึงได้อธิบายเสริมว่า อนุภาคที่ว่านี้มีขนาดเล็กมาก เหตุการณ์การชนกันจึงไม่ปรากฏ
อีก 150 ปีต่อมา Thomas Young ได้สาธิตการทดลองที่แสดงให้เห็นว่า เวลาให้แสงพุ่งผ่านรูขนาดเล็ก 2 รู แล้วเอาฉากมารับแสงนั้น ภาพที่เห็นบนฉากจะปรากฏเป็นริ้วๆ ซึ่งมีทั้งริ้วมืด และริ้วสว่างเรียงสลับกัน นี่คือปรากฏการณ์การแทรกสอด (interference) ซึ่งสามารถอธิบายได้ ถ้าแสงมีสมบัติของคลื่น เพราะคลื่นสามารถเสริมกัน (สว่าง) และหักล้างกัน (มืด) ได้
ดังนั้น เมื่อ Einstein พบว่า แสงสามารถแสดงสมบัติอนุภาคได้ ในปรากฏการณ์ photoelectric เหมือนดังที่ Newton คิด และในปี 1923 Arthur Compton ได้ทดลองยิงอิเล็กตรอนด้วยการฉายรังสีเอ็กซ์ไปกระทบ เขาก็ได้พบว่า รังสีเอ็กซ์ที่กระเจิงออกมามีความยาวคลื่นมากขึ้น ในการอธิบายปรากฏการณ์ Compton ที่เห็นนี้ Compton ได้สมมติว่ารังสีเอ็กซ์ประพฤติตัวเสมือนเป็นอนุภาค หลักฐานต่างๆ เหล่านี้ทำให้แวดวงฟิสิกส์ยอมรับการมีสมบัติคลื่น และสมบัติอนุภาคของแสงตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา
ลุถึงปี 1924 Louis de Broglie ได้ใช้หลักความสมมาตรของธรรมชาติในการแถลงทฤษฎีว่า ถ้าแสงสามารถแสดงสมบัติอนุภาค และสมบัติคลื่นได้ สสารต่างๆ ก็ต้องแสดงสมบัติคลื่น และสมบัติอนุภาคได้เช่นกัน ในวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของ de Broglie เขาจึงนำเสนอการคาดการณ์นี้ ซึ่งได้รับการยืนยันว่า จริง โดย C.J. Davisson และ G.P.Thomson นั่นคือ อิเล็กตรอนที่ใครๆ ก็คิดว่า เป็นอนุภาค สามารถแสดงสมบัติของคลื่นได้ เช่น เลี้ยวเบนได้ และแทรกสอดได้ จนถึงปัจจุบันนี้ นักฟิสิกส์ได้พบแล้วว่า ไม่เพียงแต่อิเล็กตรอนเท่านั้น อนุภาคอื่นๆ เช่น โปรตอน นิวตรอน ฯลฯ และโมเลกุลขนาดใหญ่ เช่น buckyball ที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอน 60 อะตอมก็แสดงสมบัติการแทรกสอดได้เช่นกัน
กระนั้นนักฟิสิกส์ก็ยังไม่สามารถทดลองให้เห็นได้ว่า รถยนตร์สามารถแสดงปรากฏการณ์เลี้ยวเบนได้ ทั้งนี้เพราะรถยนตร์ที่มีความเร็วประมาณ 100 กิโลเมตร/ชั่วโมง จะมีความยาวคลื่นประมาณ 10-38 เมตร ทำให้รูที่ต้องใช้ในการสาธิตปรากฏการณ์เลี้ยวเบนต้องมีขนาดใหญ่ประมาณ 10-38 เมตรด้วย รูที่ต้องการจึงมีขนาดเล็กกว่า quark ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานประมาณล้าน ล้าน ล้านเท่า ดังนั้น การสาธิตเรื่องการเลี้ยวเบนของรถยนตร์จึงไม่สามารถแสดงได้
ในปี 1925 เมื่อ W. Heisenberg และ E. Schroedinger สร้างวิชากลศาสตร์ควอนตัมขึ้นมา เพื่อใช้อธิบายสมบัติทุกประการของระบบควอนตัมที่มีขนาดเล็กระดับอะตอม และโมเลกุล เทคนิคคำนวณของทฤษฎีนี้ได้นำมาซึ่งความงุนงงและความสงสัยมากว่าความจริงในธรรมชาติเป็นเช่นไร เพราะทฤษฎีได้แสดงเช่นว่า อนุภาคสามารถอยู่ได้ที่ทุกตำแหน่งในบริเวณรอบอะตอมในเวลาเดียวกัน อนุภาคมี spin ทิศชี้ขึ้น และทิศชี้ลงก็ได้ในเวลาเดียวกัน แมวสามารถมีชีวิตและไร้ชีวิตได้ในเวลาเดียวกัน และอนุภาคที่มีอันตรกริยาต่อกัน 2 อนุภาค เมื่อถูกแยกจากกันไปอยู่ที่คนละขอบเอกภพ สามารถมีโยงใยถึงกันได้ในทันทีทันใดด้วยความเร็วยิ่งกว่าความเร็วแสง
หลักการซ้อนทับ (superposition principle) และความพัวพัน (entanglement) นี้ได้ทำให้ทุกคนที่เรียนกลศาสตร์ควอนตัมงุนงง และลับสนมากว่าแมวที่เป็น 50% และตาย 50% นั้น มีลักษณะเป็นอย่างไร หรือในกรณีความพัวพัน ถ้า photon 2 อนุภาคอยู่ใกล้กัน คือมีอันตรกริยาต่อกัน โดยมีสถานะควอนตัมที่ไม่ปรากฏชัดว่าอนุภาคใดอยู่ในสถานะใด คือ สถานะยังเบลอๆ ครั้น photon ถูกแยกให้อยู่ไกลจากกัน การวัด (การสังเกต) สมบัติของ photon ตัวหนึ่งจะทำให้ได้ข้อมูลสถานะควอนตัมของ photon อีกตัวหนึ่งทันที เสมือนกับว่า การวัดสมบัติของอนุภาคแรกจะบังคับอนุภาคตัวที่สองให้แสดงข้อมูลสถานะควอนตัมที่คล้องจองกับอนุภาคตัวแรกอย่างทันทีทันควัน
นี่คือตัวอย่างความพัวพันในโลกควอนตัมที่ไม่น่าจะสร้างความกังวลในชีวิตจริงของคนทั่วไป เพราะถ้าเหตุการณ์นี้เกิดในคน ความโกลาหลอลหม่านจะเกิดตามมาทันที เพราะถ้าคิดว่า สิ่งมีชีวิตทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาค (โปรตอน อิเล็กตรอน ฯลฯ) ซึ่งมีสมบัติความพัวพัน ดังนั้นสิ่งมีชีวิตก็ควรแสดงสมบัติพัวพันด้วย
ดังในกรณี นาย ก. กับนาง ข. ซึ่งพบกันที่สถานที่หนึ่งโดยบังเอิญและได้สนทนา (มีอันตรกริยา) กันครู่หนึ่ง โดยทั้งสองมิได้เอ่ยถึงคู่ครองของตน (คือ นาง ค. และนาย ง.) เลยแม้แต่คำเดียว เมื่อกลับถึงบ้านของทั้งสองคน นาย ก. จำนาง ค. ไม่ได้เลย แต่กลับรู้สึกว่ารู้จักกับนาย ง. เป็นอย่างดี ทั้งๆ ที่ไม่เคยเห็นหน้าค่าตากัน ซึ่งนักฟิสิกส์ก็จะอธิบายเหตุการณ์นี้ว่า อันตรกริยาระหว่าง ก. กับ ข. ได้ทำลายความพัวพันระหว่างนาย ก. กับนาง ค. และสร้างความพัวพันระหว่างนาย ก. กับนาย ง.
นักฟิสิกส์นั้นเชื่อว่า ทฤษฎีควอนตัมสามารถนำมาใช้ได้กับสรรพสิ่ง ทั้งที่เล็กระดับอะตอมและนิวเคลียส จนกระทั่งใหญ่ถึงระดับ supernova และ black hole และเมื่อทฤษฎีนี้แถลงว่า ถ้าอะตอมสามารถมิได้สองสถานะ เช่น |A> กับ |B> สถานะแท้จริงของอะตอม จึงเป็น |A> + |B> ที่ซ้อนทับกันอยู่ จนกระทั่งถึงวินาทีที่ผู้ทดลองลงมือวัด (คือดู) อะตอมก็จะปรากฏอยู่ในสถานะ |A> หรือ |B> โดยที่สถานะหนึ่งหายไปและเหลือสถานะเพียงหนึ่งเดียวให้เห็น โดยอันตรกริยาระหว่างสิ่งแวดล้อมกับอุปกรณ์วัดคือต้นเหตุที่ทำให้เกิดเหตุการณ์สถานะ |A> หรือ |B> ได้สลายไป นี่คือ ปรากฏการณ์ quantum decoherence ซึ่งถ้าเป็นกรณีแมว เราจะไม่เห็นแมว (เป็น+ตาย) แต่เห็นแมวตายหรือแมวเป็นอย่างหนึ่งอย่างใด เพราะสถานะแมว (เป็น+ตาย) ไม่สามารถอยู่นานพอให้เห็น
ในปี 1996 David Wineland แห่ง National Institute of Standards and Technology (NIST) ที่เมือง Boulder ในรัฐ Colorado ได้ทำการทดลองโดยใช้อะตอมตัวเดียว (นักวิทยาศาสตร์ยังใช้แมวไม่ได้) ซึ่งแสดงให้โลกเห็นเป็นครั้งแรกว่า หลักการซ้อนทับ [แมว(เป็น+ตาย)] ในกรณีอะตอมเดียวเกิดขึ้นจริง และผลงานนี้ทำให้ Wineland ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2012 ร่วมกับ Serge Haroche แห่ง College de France และ Ecole Normale Superieure เพราะผลงานที่คนทั้งสองทำได้เปิดโลกควอนตัมที่จะนำไปสู่การสร้าง quantum computer, รหัส quantum, และ quantum teleportation ในอนาคต เทคนิคของคนทั้งสองยังยืนยันอีกว่า ปรากฏการณ์ entanglement มีจริง และกลศาสตร์ควอนตัมสามารถใช้ได้กับอนุภาคเดี่ยว โดยไม่จำเป็นต้องใช้กับระบบที่มีหลายอนุภาคเท่านั้น ซึ่งเป็นเรื่องที่ต้องใช้สถิติ
ในการทดลองของ Wineland เขาใช้ไอออนของอะตอม beryllium หนึ่งอะตอม โดยทำให้อะตอมสูญเสียอิเล็กตรอนไป 1 ตัว แล้วกักไอออนนี้ให้อยู่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า จากนั้นก็ทำให้ไอออนมีอุณหภูมิต่ำลง จนใกล้ถึงศูนย์องศาสัมบูรณ์ ซึ่งไอออนจะมีความเร็วน้อยมากจนเกือบหยุดนิ่ง จึงทำให้สามารถควบคุมได้ง่าย จากนั้นก็ฉายแสงเลเซอร์ 2 แสงที่มีความถี่แตกต่างกันเล็กน้อยเข้าไปกระทบไอออน โดยการควบคุมช่วงเวลาฉายแสงให้เหมาะสม ไอออนที่มีสปินขึ้นกับสปินลงก็จะถูกกระตุ้นให้มีพลังงาน 2 ระดับ และอยู่ด้วยกัน คือ ซ้อนทับกัน แล้ว Wineland ก็ฉายแสงเลเซอร์อีกคู่หนึ่งให้แทรกสอดกันไป ทำให้ไอออนส่ายไปมาด้วยความถี่ธรรมชาติ ในแอ่งคลื่น และถ้าให้ความถี่ของคลื่นนี้เหมาะสมมันจะแยกสถานะหนึ่งออกจากสถานะหนึ่ง คือ ทำให้สถานะหนึ่งเคลื่อนที่ในขณะที่อีกสถานะหนึ่งหยุดนิ่ง ดังนั้นสถานะทั้งสองจึงแยกจากกัน จนอยู่ห่างกันประมาณ 11 เท่าของขนาดของไอออน นั่นคือ ณ เวลานั้น ไอออนตัวเดียว สามารถอยู่ได้สองที่พร้อมกัน นี่คือการทดลองที่แสดงว่า ในอะตอมมีการซ้อนทับของสถานะ และการซ้อนทับนี้สามารถเกิดขึ้นและแยกจากกันได้ แต่เวลา Wineland วัดสมบัติของอะตอม เพราะสถานะทั้งสองจะอยู่แยกกัน ดังนั้นสถานะหนึ่งจะสลายเหลือเพียงอยู่สถานะเดียว
ส่วน Haroche นั้น เขาคือผู้บุกเบิกเทคนิคด้าน cavity quantum electrodynamics ที่ช่วยให้นักฟิสิกส์สามารถปรับสถานะควอนตัมของอนุภาคแสง (photon) ที่สะท้อนไปมาระหว่างกระจก 2 บาน โดยการส่งอะตอม 1 ตัวไปผ่านแสงนั้น และ Haroche ก็ได้ทำให้ทุกคนเห็น แมว (เป็น+ตาย) ของ Schroedinger เช่นกัน
ณ วันนี้ ทีมวิจัยของ Wineland ได้พัฒนาเทคนิคการกักไอออนจนสามารถควบคุมพฤติกรรมมันได้เป็นอย่างดี เพื่อสร้างนาฬิกาปรมาณูที่มีประสิทธภาพสูงมาก แต่ที่สำคัญกว่านั้น คือ เขาคิดว่างานนี้ในอนาคตจะนำไปสู่การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพสูงยิ่งกว่าคอมพิวเตอร์ธรรมดาได้เป็นล้าน ล้านเท่า
ในการทดลองที่ Wineland ทำในปี 1995 เขาใช้ไอออนตัวเดียวทำ operation แบบ logic และในปี 2011 เมื่อเขาใช้ไอออน 15 ตัว เรียงกันก็สามารถคำนวณได้รวดเร็วยิ่งขึ้นไปอีก ซึ่งไอออน 15 ตัวนี้ทำงานได้เพียง 25% ของคอมพิวเตอร์ควอนตัมอุดมคติเท่านั้นเอง
คอมพิวเตอร์ธรรมดานั้นทำงานโดยใช้ bit ที่มีค่า 0 กับ 1 แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะใช้ qubit (มาจาก quantum bit) ซึ่งมีได้หลายค่า (สถานะ) ในเวลาเดียวกัน ดังนั้น จึงสามารถคำนวณได้รวดเร็วกว่ามาก แต่การที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมให้มีขนาดใหญ่ (ไม่ใช่ใหญ่ขนาดไอออน) มีปัญหามาก เนื่องจาก qubit เหล่านี้ เปราะบางเป็นที่สุด นั่นคือการรบกวนแม้แต่เพียงน้อยนิดจากโลกภายนอกก็จะทำลาย qubit ตัวที่ถูกรบกวนทันที ซึ่งจะทำให้สถานะควอนตัมของมันสลายไปในพริบตา ทำให้ข้อมูลที่เก็บไว้ต้องสูญเสียไปด้วย
ดังนั้น เมื่อใดก็ตามที่นักวิทยาศาสตร์สามารถทำให้ qubit คงตัว คือ ไม่สลาย หรือทำให้ qubit ตัวที่สลายไปแล้ว ฟื้นกลับมาได้เหมือนเดิม เราก็จะมีกระบวนการสารสนเทศควอนคัม (quantum information process) และคอมพิวเตอร์ควอนตัมทันที
อ่านเพิ่มเติมจาก The Fabric of Reality โดย David Deutsch จัดพิมพ์โดย Penguin Books ในปี 1998 และ Quantum Computation and Quantum Information โดย Michael A. Nielsen และ Isaac L. Chuang จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press ในปี 2000
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ภาคีสมาชิกราชบัณฑิตยสถาน และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์
ประวัติการศึกษา - ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
