การสารสนเทศเชิงควอนตัม

ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 20 ที่ผ่านไปนี้ ฟิสิกส์ได้มีวิทยาการสองสาขาใหม่เกิดขึ้น คือ กลศาสตร์ควอนตัม และทฤษฎีสัมพัทธภาพ ซึ่งมีบทบาทมากในการเปลี่ยนโฉมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของโลก เพราะได้เสนอแนวคิดใหม่ที่ปฏิรูปความรู้เดิมเกี่ยวกับธรรมชาติ เช่นว่า เอกภพมีโครงสร้างที่เป็น 4 มิติ เพราะประกอบด้วย 3 มิติของระยะทาง และ 1 มิติของเวลา ตลอดจนการเสนอองค์ความรู้ใหม่ที่ว่า ความจริงเป็นสิ่งที่ได้จากการสังเกตเท่านั้น และมนุษย์ไม่สามารถจะรู้ข้อมูลทุกประเด็นของอะตอมได้อย่างสมบูรณ์ ฯลฯ ในเวลาต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้ใช้องค์ความรู้ของทั้งสองวิทยาการนี้ในการพัฒนาโลกเข้าสู่ยุคเทคโนโลยีทันสมัยที่มีคุณประโยชน์มหาศาล เช่น เทคโนโลยีนาโน คอมพิวเตอร์ เตาปฏิกรณ์ปรมาณู การศึกษา DNA เลเซอร์ อุปกรณ์ Magnetic Resonance Imaging (MRI) ที่แพทย์ใช้วิเคราะห์สุขภาวะของอวัยวะภายในร่างกาย โทรศัพท์เคลื่อนที่ ดาวเทียมสำรวจระยะไกล ฯลฯ ซึ่งเทคโนโลยีเหล่านี้ได้อำนวยความสะดวกสบายให้แก่มนุษย์ในการดำรงชีวิต นอกจากนี้นักฟิสิกส์ก็ยังได้พบคลื่นโน้มถ่วง หลุมดำ อนุภาค Higgs สภาพนำยวดยิ่ง การขยายตัวของเอกภพด้วยความเร่ง ฯลฯ อันเป็นความรู้วิทยาศาสตร์บริสุทธิ์ที่ช่วยให้มนุษย์เข้าใจความเป็นมาของเอกภพตั้งแต่อดีต และปัจจุบัน จนถึงอนาคต

เมื่อถึงคริสต์ศตวรรษที่ 21 กลศาสตร์ควอนตัมยังได้ก้าวเข้ามามีบทบาทในการสร้างเทคโนโลยีใหม่อีกรูปแบบหนึ่ง คือ เทคโนโลยีสารสนเทศ (information technology) จึงทำให้เกิดวิทยาการสาขาใหม่ คือ สารสนเทศเชิงควอนตัม (quantum information) ซึ่งกำลังจะมีบทบาทมากในการเปลี่ยนโฉมของโลกในอนาคตอันใกล้นี้

นักฟิสิกส์นั้นตามปกติใช้กลศาสตร์ควอนตัมในการอธิบายเพื่อสร้างความเข้าใจและทำนายพฤติกรรมต่างๆ ของระบบที่มีขนาดเล็กมากระดับอะตอมกับนิวเคลียส (คือ มีขนาดตั้งแต่ 10^-10 เมตร หรือ 1 ในหมื่นล้านเมตรลงไป) ซึ่งได้แก่ อนุภาคมูลฐาน เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน และอนุภาคแสงที่เรียกว่า โฟตอน (photon) โดยอาศัยกรอบความคิดที่ทำให้คนที่ไม่ใช่นักฟิสิกส์แทบไม่เชื่อหู เมื่อทราบว่าอนุภาคควอนตัม (อนุภาคที่มีขนาดเล็กจนต้องใช้กลศาสตร์ควอนตัมในการอธิบายพฤติกรรม) เช่น อิเล็กตรอน สามารถอยู่ได้ทุกหนแห่งในบริเวณโดยรอบนิวเคลียสในเวลาเดียวกัน โดยมีโอกาสของการปรากฏอยู่ในแต่ละตำแหน่งไม่เท่ากัน แต่เมื่อรวมโอกาสทั้งหมดก็จะได้ร้อยเปอร์เซ็นต์ มีพลังงานสูง ต่ำ และปานกลางได้ในเวลาเดียวกัน เสมือนว่าเป็นคนที่มีหลายบุคลิกภาพ ในเวลาเดียวกัน นี่เป็นเหตุการณ์ที่แตกต่างจากประสบการณ์ที่พบในชีวิตประจำวันอย่างสิ้นเชิง เพราะในเวลาหนึ่งเวลาใดคนจะต้องอยู่ ณ ที่หนึ่งที่ใดเท่านั้น เช่น ในห้องน้ำ หรือห้องทำงาน หรือสนามกีฬา ฯลฯ แต่จะอยู่ในห้องน้ำ ห้องทำงาน และสนามกีฬาพร้อมกันไม่ได้ แม้ความรู้เช่นนี้จะเป็นเรื่องที่ประหลาด เหลือเชื่อ และเหนือจริง แต่นี่เป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์และนักเทคโนโลยีใช้เป็นพื้นฐานในการสร้างอินเทอร์เน็ต รถไฟเหาะ โทรศัพท์เคลื่อนที่ โรงงานไฟฟ้าปรมาณู ฯลฯ ที่มีประโยชน์อเนกอนันต์ในการดำรงชีวิตของมนุษย์

วิทยาการสารสนเทศเป็นศาสตร์ที่ประกอบด้วยหน่วยเก็บ (storage) หน่วยส่งผ่าน (transmission) และหน่วยจัดดำเนินการ (manipulation) ซึ่งต้องมีการนำข้อมูลป้อนเข้าในรูปของบิต (bit) ซึ่งเป็นเลข 0 กับ 1 (ในระบบเลขฐานสอง) ที่คอมพิวเตอร์ทั่วไป อินเทอร์เน็ต และเกมใช้ในการทำงาน ความประเสริฐที่มหัศจรรย์ของระบบสารสนเทศนี้ คือสามารถทำงานได้อย่างไม่มีข้อผิดพลาด หรือขาดตกบกพร่อง และปราศจากความกำกวมใดๆ คือไร้ความคลาดเคลื่อน ในขณะที่ระบบควอนตัมทำงานโดยอาศัยหลักความไม่แน่นอน และการมีโอกาสของความเป็นไปได้ ซึ่งแสดงความไม่แม่นทุกขั้นตอน ดังนั้น วิทยาการทั้งสองสาขานี้จึงมีวิธีคิดและวิธีทำงานที่ไม่สอดคล้องกัน จนไม่น่าเชื่อจะทำงานเสริมกันได้

แต่ ณ วันนี้ โลกกำลังจะมีเทคโนโลยีรูปแบบใหม่ที่เรียกว่า สารสนเทศเชิงควอนตัม (quantum information) ซึ่งได้จากการผสมผสานวิชากลศาสตร์ควอนตัมกับวิชาสารสนเทศเข้าด้วยกัน เพื่อทำงานสารสนเทศโดยอาศัยหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม

ระบบสารสนเทศแบบดั้งเดิมนั้น จำเป็นต้องใช้ข้อมูลในการทำงาน เช่น ข้อมูลหน้าที่ปรากฏเวลามีการทอดลูกเต๋า ข้อมูลสวิตซ์ไฟฟ้าที่ปิดหรือเปิด ฯลฯ ซึ่งต้องถูกเข้ารหัสในลักษณะของบิตที่มีสองค่า คือ 0 กับ 1 คือ ต้องมีค่า 0 หรือ 1 เท่านั้น และไม่สามารถมีค่า 0 กับ 1 ได้พร้อมกัน

ในกรณีสารสนเทศเชิงควอนตัม ข้อมูลจะไม่ถูกเข้ารหัสในรูปของบิต แต่ในรูปของคิวบิต (qubit ซึ่งย่อมาจากคำ quantum bit) คือมีค่า 0 หรือ 1 หรือ 0 กับ 1 ก็ได้ในเวลาเดียวกัน นั่นหมายความว่า ถ้าเป็นกรณีสวิตซ์ไฟฟ้า คิวบิตของสวิตซ์อาจอยู่ในสถานะปิดหรือเปิด หรือทั้งปิดและเปิดได้พร้อมกัน และถ้าเป็นกรณีของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนอาจหมุนรอบตัวเองในทิศทวนเข็มนาฬิกาหรือตามเข็มนาฬิกา หรือหมุนทั้งทวนเข็มและตามเข็มนาฬิกาได้ในเวลาเดียวกัน

ความสามารถของระบบควอนตัมในการมีค่าได้หลายค่า และได้หลายสถานะในเวลาเดียวกันนี้ นักฟิสิกส์เรียกว่ามีสมบัติการซ้อนทับของสถานะ (superposition of states) ซึ่งมีผลทำให้ไม่มีใครรู้ชัดว่า เวลาระบบได้รับการสังเกตหรือวัด สถานะใดจะปรากฏ นั่นคือ เราไม่สามารถจะรู้ข้อมูลที่แน่ชัดของระบบได้ จนกว่าจะมีการวัดหรือการสังเกต และนี่คือประเด็นที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ทำใจรับวิธีคิดแบบกลศาสตร์ควอนตัมไม่ได้ เพราะไอน์สไตน์เชื่อว่า ความจริงของระบบใดๆ ไม่ได้ขึ้นกับวิธีสังเกต เวลาที่สังเกต หรือผู้สังเกต

การใช้หลักการซ้อนทับของสถานะเช่นนี้ทำให้สารสนเทศเชิงควอนตัมมีความมหัศจรรย์ที่พิเศษเหนือสารสนเทศแบบดั้งเดิมมาก เพราะคิวบิตสามารถทำอะไรๆ ได้พร้อมกัน ในขณะที่บิตธรรมดาทำไม่ได้ เช่น ถ้าเรามีเลข 5 (ในระบบเลขฐานสิบ) ซึ่งแทนได้ด้วยเลข 101 (ในระบบเลขฐานสอง) ดังนั้น 5 จึงประกอบด้วยบิต 3 บิต และเรจิสเตอร์ (register) ของสารสนเทศแบบดั้งเดิมจะอ่านบิตทั้ง 3 นี้ และเก็บเลขทั้ง 8 จำนวน คือ 0, 1, 2, 3, ..., 7 ในรูปใดรูปหนึ่ง ที่แยกจากกันดังนี้

0 = |000>1 = |001>2 = |010>3 = |011>4 = |100>5 = |101> 6 = |110> และ 7 = |111>

แต่ในสารสนเทศเชิงควอนตัมกรณีที่มี 3 คิวบิต เรจิสเตอร์จะเก็บข้อมูลของเลขทั้ง 8 จำนวน ได้โดยการซ้อนสถานะกันเป็นสถานะ> = a |000> + b|001> + c |010> + d |011> + e |100> + f|101> + g|110> + h|111> โดยที่ a, b, … h อาจเป็นจำนวนจริง หรือจำนวนเชิงซ้อนก็ได้ และ |a|², |b|²,|c|²,...|h|² ที่แสดงน้ำหนักของแต่ละสถานะต้องเป็นไปตามเงื่อนไข คือ |a|²+ |b|²+|c|²,...+|h|² = 1

ดังนั้น เราจึงเห็นได้ว่า ถ้าจำนวนคิวบิตมีมาก จำนวนสถานะที่ใช้ในการซ้อนทับก็จะมากด้วย ยกตัวอย่างในกรณีที่มี 3 คิวบิต สถานะที่ใช้ในการซ้อนทับจะมี 2³= 8 และถ้ามี N คิวบิต สถานะที่จำเป็นต้องใช้ก็จะมี 2^Nสถานะ การเขียน | สถานะ> ในรูปแบบที่เป็นผลรวมของสถานะย่อยเช่นนี้ เพราะกลศาสตร์ควอนตัมมีสมบัติของความเป็นเชิงเส้น ซึ่งหมายความว่า สถานะย่อยต่างๆ มีวิวัฒนาการได้อย่างอิสระจากกัน นี่จึงเป็นการแสดงสมบัติความขนาน (parallelism) ของบรรดาสถานะย่อย ที่ทำให้สารสนเทศเชิงควอนตัมมีประสิทธิภาพสูงกว่าสารสนเทศแบบดั้งเดิมมาก ทำให้สามารถคำนวณหาคำตอบต่างๆ ได้อย่างรวดเร็วมาก เช่น ในการหาตัวประกอบของเลขที่มีล้านหลัก ซึ่งคอมพิวเตอร์ธรรมดาอาจใช้เวลานานเป็นปี คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะใช้เวลาเพียงไม่ถึงชั่วโมง

สมบัติที่น่าประหลาดใจประการที่สองของระบบควอนตัม คือ ความพัวพัน (entanglement) ซึ่งเกิดขึ้นเวลาอนุภาค 2 อนุภาคที่ถือกำเนิดจากแหล่งเดียวกัน ในเวลาเดียวกันถูกจับแยกกัน และเวลาอนุภาคตัวแรกถูกสังเกตหรือถูกวัดค่าพลังงานหรือวัดโมเมนตัม อนุภาคตัวที่ 2 จะรู้ได้ในทันทีว่าอะไรเกิดขึ้นกับอนุภาคตัวที่ 1 และจะให้ค่าที่สอดคล้องกับอนุภาคตัวที่ 1 เช่น ถ้าเรามีลูกเต๋า 2 ลูกที่พัวพันกัน เมื่อจับแยกลูกเต๋าทั้งสองให้อยู่คนละข้างของเอกภพเป็นระยะทางหลายแสนล้านปีแสง เมื่อโยนลูกเต๋าทั้ง 2 พร้อมกันจะพบว่าทุกครั้ง ลูกเต๋าทั้งสองจะออกหน้าเดียวกัน

ทันทีที่นักฟิสิกส์รู้ว่า เหตุการณ์แบบนี้มีจริง ทุกคนก็รู้ว่า นี่คือ เทคนิคการส่งรหัสลับแบบควอนตัมที่จะไม่มีใครลอบฟัง หรือลอบเห็นข้อมูลที่ส่งถึงกันได้ หรือที่เรียกว่า อินเทอร์เน็ตควอนตัม เพราะถ้าใครเข้ามา hack การซ้อนทับแบบควอนตัมจะเปลี่ยน และความพัวพันจะถูกกระทบกระเทือนจนผู้รับและผู้ส่งข้อมูลจะรู้ได้ในทันที

คำถามที่คนทั่วไปใคร่จะรู้เหตุผล คือ เหตุใดเวลามีการสังเกต หรือการวัดระบบควอนตัม สถานะย่อยจึงปรากฏออกมาเพียงสถานะเดียว แล้วสถานะย่อยอื่นๆ หายไปไหน ถ้าอธิบายมีว่า ในฟิสิกส์แบบดั้งเดิม ข้อมูลที่มีอยู่ ไม่ได้ขึ้นกับผู้สังเกต เช่น ไม่ว่าเราจะเงยหน้าดูท้องฟ้าหรือไม่ เราก็รู้อยู่แก่ใจว่าจะมีดวงจันทร์ตลอดเวลา แต่ในกลศาสตร์ควอนตัม ถ้าไม่มีการเงยหน้าดูฟ้า ดวงจันทร์ก็ไม่มี นั่นคือ ในกลศาสตร์ควอนตัม การมีดวงจันทร์ในท้องฟ้า เพราะมีคนดู ดังนั้น กลศาสตร์ควอนตัมจึงให้ความสำคัญกับผู้สังเกต และความจริงที่ปรากฏขึ้นกับวิธีสังเกต นี่เป็นองค์ความรู้อีกประการหนึ่งที่ทำให้ควอนตัมแตกต่างจากฟิสิกส์ดั้งเดิม

เพราะในการสังเกตระบบควอนตัม อุปกรณ์ที่ใช้สังเกตจะมีอันตรกริยา (interaction) กับระบบ ถ้าอุปกรณ์มีขนาดใหญ่ คือประกอบด้วยอะตอมจำนวนมาก อันตรกริยาก็ยิ่งมาก จนทำให้สมบัติควอนตัมของระบบสลายไปอย่างรวดเร็ว ความพัวพันที่มีระหว่างสถานะย่อยจะหมดไป และผลที่ได้จะสอดคล้องกับค่าที่คำนวณได้โดยใช้กลศาสตร์แบบดั้งเดิม คือให้คำตอบเพียงค่าเดียว

ส่วนในกรณีคอมพิวเตอร์นั้น ในปี 1965 Gordon Moore ซึ่งเป็นวิศวกรในสังกัดห้องปฏิบัติการ Bell Laboratories ของประเทศสหรัฐอเมริกาได้เคยพยากรณ์ไว้ว่า จำนวนชิปบนคอมพิวเตอร์จะเพิ่มเป็น 2 เท่าในทุกๆ 1-2 ปี และคนทุกคนก็รู้ว่า ถ้าใครสามารถทำให้ความหนาแน่นชิปเพิ่ม ความรวดเร็วในการทำงานของคอมพิวเตอร์ก็จะเพิ่ม ทว่าการเพิ่มความหนาแน่นชิปจะทำให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ร้อนคือมีอุณหภูมิสูงจนในที่สุดวงจรอิเล็กทรอนิกส์จะขาด

วิศวกรสารสนเทศปัจจุบันจึงกำลังพัฒนาขั้นตอนวิธีเชิงควอนตัม (quantum algorithm) เพื่อเอาชนะปัญหานี้ คือ พยายามสร้างชิปให้มีขนาดเล็กลง และเพิ่มจำนวนคิวบิตบนชิป เพื่อสร้างระบบการสื่อสารสนเทศเชิงควอนตัมโดยอาศัยทฤษฎีของ Claude Shannon ซึ่งได้เสนอทฤษฎีสารสนเทศไว้ว่า ในการส่งข้อมูลผ่านช่อง (เช่น ส่งอนุภาคโฟตอนไปตามเส้นใยนำแสง) ความจุสารสนเทศขึ้นกับแหล่งจ่ายและแหล่งเก็บโฟตอน ส่วนคุณภาพของสารสนเทศที่ถูกส่งไปนั้นจะมีความสมบูรณ์เพียงใดขึ้นกับคุณภาพของช่องสัญญาณ

ทฤษฎีของ Shannon ได้กำหนดขีดจำกัดสูงสุดในการสร้างความหนาแน่นของข้อมูล รวมถึงปริมาณสารสนเทศที่สามารถส่งไปได้อย่างปราศจากการบิดเบือนด้วย

คำถามที่ตามมา คือ ในกรณีระบบสารสนเทศเชิงควอนตัม ทฤษฎีของ Shannon จะถูกปรับเปลี่ยนอย่างไร หรือไม่ และนักสารสนเทศเชิงควอนตัมก็ได้พบว่า การบีบอัดข้อมูลให้มากขึ้นเป็นเรื่องที่สามารถทำได้ ถ้าบิตถูกเปลี่ยนไปเป็นคิวบิต

วิวัฒนาการขั้นต่อไปของการสร้างระบบสารสนเทศเชิงควอนตัมคือ การส่งอนุภาคโฟตอนที่มีความพัวพันกันออกมาเป็นชุด แล้วส่งไปยังสถานีรับที่อยู่ห่างไกลออกไป และถ้ามีใครพยายามแอบดูข้อมูลในโฟตอน การรบกวนสถานะควอนตัมของโฟตอนก็จะเกิดขึ้นทันที ซึ่งจะทำให้ผู้รับที่มีโฟตอนซึ่งพัวพันกับโฟตอนที่ถูกรบกวนเปลี่ยนไป จึงทำให้ผู้รับและผู้ส่งรู้ว่ามีการดักฟังเกิดขึ้นแล้ว

เพราะอนุภาคโฟตอนที่พัวพันกันมักสลายตัวเร็ว ถ้าถูกส่งผ่านอากาศ หรือใยแก้ว ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงคิดใช้สุญญากาศหรืออวกาศในการส่งข้อมูลควอนตัมออกไปถึงดาวเทียมที่โคจรในอวกาศ และนี่ก็คือ สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์จีนได้ทำเมื่อเดือนสิงหาคมที่ผ่านมานี้ โดยใช้ดาวเทียมชื่อ Micius (ชื่อนักปรัชญาจีนในสมัยโบราณ) ในโครงการ Quantum Experiments at Space Scale มูลค่า 3,500 ล้านบาทเป็นตัวทดสอบการส่งสารสนเทศเชิงควอนตัมครั้งแรกของโลกที่กระทำในอวกาศ

โดยการยิงอนุภาคโฟตอนของเลเซอร์ไปให้ผ่านผลึกที่อยู่ในดาวเทียมซึ่งจะแยกโฟตอนออกเป็น 2 อนุภาคที่พัวพันกัน โดยมีสถานะ polarization ตรงข้ามกัน จากนั้นส่งโฟตอน 2 ตัวไปที่สถานีรับ 2 แห่ง คือที่ Delingha และ Lijiang ซึ่งอยู่ห่างกัน 1,200 กิโลเมตรบนที่ราบสูงทิเบต การส่งโฟตอนจากอวกาศที่แทบจะไร้สิ่งรบกวน ทำให้โฟตอนมีเสถียรภาพมาก

และที่สถานีรับทั้งสองได้มีการตรวจสถานะควอนตัมของโฟตอนกว่า 1,000 คู่ และพบว่า โฟตอนจำนวนมากมีความพัวพันกันจริง

ความยากลำบากในการทดลองนี้ เกิดจากการส่งโฟตอนจากดาวเทียมที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 8 กิโลเมตร/วินาทีถึงสถานีรับบนพื้นดิน แต่ปริมาณที่มีความพัวพันกันนั้นยังน้อยจนไม่อาจใช้ในการสื่อสารสนเทศเชิงควอนตัมได้ในเวลานี้

ในอนาคตอีก 5 ปี จีนจะใช้ National Space Science Center ปล่อยดาวเทียมขึ้นฟ้าจำนวนมาก และใช้แสงที่มีความเข้มมากขึ้น รวมถึงสะอาดขึ้น เพื่อทำงานในเวลากลางวัน (ดาวเทียม Micius นั้นทำงานกลางคืน) นั่นคือจีนจะมีดาวเทียมควอนตัมก่อนชาติอื่น เพราะแคนาดา อเมริกา ออสเตรเลียก็พยายามทำเรื่องนี้เช่นกัน โดยจะใช้ International Space Station เป็นสถานทดลองด้วย แต่มีจุดประสงค์เหนือกว่าการส่งสารสนเทศควอนตัมแบบธรรมดา เพราะนักวิทยาศาสตร์จะศึกษาดูว่า สนามโน้มถ่วงมีบทบาทในการรบกวนความพัวพันเพียงใด เพราะบนโลกแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อโฟตอนจะมาก ในขณะที่อยู่ในดาวเทียมแรงโน้มถ่วงจะน้อย นี่จะเป็นการทดลองที่สำคัญมาก เพราะจะทดสอบว่า แรงโน้มถ่วงกับฟิสิกส์ควอนตัมมีความสัมพันธ์กันเช่นไร

อ่านเพิ่มเติมจาก Ji-Gang Ren et al … ในวารสาร Nature DOI: 10.1038/nature 23675 ปี 2017






เกี่ยวกับผู้เขียน

สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์