เมื่อพูดถึงปรากฏการณ์เชิงควอนตัม เรามักจะพบว่ามันเกิดขึ้นในแวดล้อมที่เล็กๆ และเย็นๆ มีปรากฏการณ์มากมายที่แตกต่างจากสิ่งที่เราคุ้นเคยในชีวิตประจำวัน
นักวิทยาศาสตร์ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2025 ได้แก่ จอห์น คลาร์ก มิเชล เดอโวเรต์ และจอห์น มาร์ตินิส
ภาพ: nobelprize.org
ตัวอย่างที่หลายคนเคยได้ยินเช่น แมวของชเรอดิงเงอร์ ที่อยู่ในกล่องผสมสารพิษที่เรามองด้านในไม่เห็น เมื่ออธิบายด้วยฟิสิกส์ควอนตัม สถานะของแมวตัวนั้นมันทั้งมีชีวิตและไม่มีชีวิตอยู่ในเวลาเดียวกัน หรือที่เราเรียกว่าการซ้อนทับสถานะ (Superposition)
มีอีกหนึ่งปรากฏการณ์ที่ถือว่าเป็นแกนหลักของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2025 นั่นคือปรากฏการณ์การลอดอุโมงค์เชิงควอนตัม (Quantum Tunneling) ที่อนุภาคควอนตัมขนาดเล็กๆ มีความสามารถในการทะลุผ่านกำแพงได้ แม้ว่ามันจะมีพลังงานไม่มากพอจะปีนข้ามกำแพงนั้น แตกต่างจากวัตถุขนาดใหญ่และประกอบขึ้นจากอะตอมจำนวนมากๆ อย่างเช่น ลูกบอล ที่เราจะปาอัดกำแพงสักกี่ครั้งมันก็จะเด้งกลับมาหาเราอยู่เสมอ ทำให้โดยส่วนใหญ่แล้วเรามักไม่เห็นปรากฏการณ์การลอดอุโมงค์เชิงควอนตัมแบบนี้กับวัตถุที่มีขนาดใหญ่พอที่เราจะสังเกตได้ จนกระทั่งทั่วโลกได้เห็นการทดลองของนักวิทยาศาสตร์เจ้าของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้
ผู้ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2025 ได้แก่นักวิทยาศาสตร์ 3 คน คือ จอห์น คลาร์ก (John Clarke) มิเชล เดอโวเรต์ (Michel Devoret) และจอห์น มาร์ตินิส (John Martinis) ซึ่งได้รับรางวัลจากผลงานการค้นพบปรากฏการณ์การลอดอุโมงค์เชิงควอนตัมระดับมหภาค และการควอนไทซ์ของพลังงานในวงจรไฟฟ้า
นักฟิสิกส์เจอปรากฏการณ์นี้ได้อย่างไร?
ในปี 1984 และ 1985 นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามได้ทดลองสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ขึ้นมาชุดหนึ่งจากตัวนำยิ่งยวด (Superconductors) หมายถึงเป็นวัสดุที่สามารถนำไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทานไฟฟ้าเลย ซึ่งภายในตัวนำยิ่งยวด อิเล็กตรอนจะมีพฤติกรรมการจับคู่กับอิเล็กตรอนตัวอื่นที่มีคุณสมบัติเข้าคู่กับมันได้ (มีโมเมนตัมและค่าสปินตรงข้ามกัน) เรียกกันว่าเป็นอนุภาคคู่คูเปอร์ (Cooper pair)
เมื่อตัวนำยิ่งยวดสองชิ้นวางต่อกันโดยมีฉนวนบางๆ กั้นอยู่ตรงกลาง จะเรียกรอยต่อระหว่างตัวนำยิ่งยวดสองชิ้นที่มีฉนวนกั้นอยู่นี้ว่า รอยต่อโจเซฟสัน (Josephson junction) โดยฉนวนทำหน้าที่เป็นกำแพงศักย์ไฟฟ้ากั้นไว้ไม่ให้อนุภาคที่อยู่ภายในตัวนำยิ่งยวดข้ามผ่านรอยต่อโจเซฟสันไปได้ถ้าไม่มีแรงดันไฟฟ้า ซึ่งตัวนำยิ่งยวดที่ไม่มีความต้านทานไฟฟ้าเลย ตามสมการทางคณิตศาสตร์แล้วจะไม่มีแรงดันไฟฟ้าอยู่ด้วยเช่นกัน อนุภาคที่อยู่ภายในตัวนำยิ่งยวดจึงถูกขังอยู่และไม่สามารถทะลุผ่านกำแพงออกมาได้ หรือถ้าหากทะลุได้ด้วยปรากฏการณ์ลอดอุโมงค์เชิงควอนตัมก็จะเกิดขึ้นไม่มาก มีโอกาสเพียงน้อยนิดที่อนุภาคทั้งหมดจะสามารถทะลุผ่านกำแพงได้ กระแสไฟฟ้าจึงไม่เกิดการไหลครบวงจร
ภาพจำลองการประพฤติตัวเป็นอนุภาคเดี่ยวของอิเล็กตรอนภายในวงจรตัวนำยิ่งยวด
ภาพ: nobelprize.org
สิ่งที่น่าสนใจคืออนุภาคคู่คูเปอร์เป็นอนุภาคควอนตัมเชิงซ้อนที่สามารถเกิดพฤติกรรมรวมตัว กลายเป็นเหมือนกับอนุภาคเดี่ยวได้ แต่เป็นอนุภาคเดี่ยวที่มีขนาดใหญ่พอที่เราจะสังเกตได้ นั่นทำให้อนุภาคเดี่ยวตัวเดียวมีโอกาสที่จะเกิดปรากฏการณ์ลอดอุโมงค์เชิงควอนตัมขึ้น และเราสามารถตรวจวัดปรากฏการณ์นี้ได้ เพราะเมื่อมีการไหลของกระแสไฟฟ้าข้ามรอยต่อโจเซฟสัน แปลว่ามันเกิดแรงดันไฟฟ้าดันให้อนุภาคเคลื่อนที่ไปในวงจร นักวิทยาศาสตร์เจ้าของการทดลองจึงวัดปริมาณแรงดันที่เกิดขึ้นภายในวงจรนี้ได้
การประยุกต์ใช้ ‘อะตอมเทียม’
ความเชื่อที่เคยมีกันว่าปรากฏการณ์เชิงควอนตัมเกิดเฉพาะในแวดล้อมที่เล็กมากๆ เท่านั้น หรือที่เรียกว่าระดับจุลภาค (Microscopic) ก็เปลี่ยนไป เพราะพฤติกรรมการรวมตัวเป็นอนุภาคเดี่ยวจนเกิดปรากฏการณ์ลอดอุโมงค์เชิงควอนตัมที่กล่าวถึงในข้างต้น เกิดขึ้นภายในวงจรขนาดประมาณ 1 เซนติเมตร ซึ่งเป็นขนาดที่ใหญ่พอให้เราสังเกตเห็นได้ จึงเรียกว่าปรากฏการณ์นี้เกิดในระดับมหภาค (Macroscopic) และวงการนักวิจัยควอนตัมเรียกสิ่งนี้ว่าเป็นการสร้าง ‘อะตอมเทียม’ (Artificial Atoms)
ในด้านการประยุกต์สำหรับงานวิจัย อะตอมเทียมที่ถูกสร้างขึ้นมาสามารถใช้เพื่อศึกษาสสารต่างๆ รวมถึงแสงได้ในภาวะที่ใช้ฟิสิกส์แบบดั้งเดิมอธิบายไม่ได้ รวมถึงเป็นแรงบันดาลใจในการสร้างระบบที่เกิดปรากฏการณ์เชิงควอนตัมได้ด้วยขนาดที่ใหญ่ขึ้น เพื่อสำรวจธรรมชาติของควอนตัมให้ละเอียดมากยิ่งขี้น
นอกจากนี้ ผลงานที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้ยังถูกประยุกต์ใช้ในการสร้างเทคโนโลยีใหม่ได้ด้วย เช่น คอมพิวเตอร์ควอนตัม เพราะวงจรตัวนำยิ่งยวดสามารถใช้พัฒนาคิวบิต (qubits) ที่เป็นหน่วยประมวลผลพื้นฐานของควอนตัมคอมพิวเตอร์ได้
ช่วงแรกของการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอดีต เคยมีอีกเทคนิคสำหรับการพัฒนาคิวบิตที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจมาก นั่นคือ เทคนิคการดักจับไอออน (Trapped Ions) ซึ่งมีความเสถียรกว่ามากเมื่อเทียบกับวงจรตัวนำยิ่งยวด เพราะวงจรตัวนำยิ่งยวดมีความไวต่อสัญญาณรบกวนภายนอก แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีการพัฒนาวงจรตัวนำยิ่งยวดให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นจนสามารถออกแบบคิวบิตจากเทคนิคนี้ที่มีความไวต่อสัญญาณรบกวนน้อยลงได้
คอมพิวเตอร์ควอนตัม Sycamore จาก Google ที่สามารถเอาชนะคอมพิวเตอร์ดั้งเดิมที่เร็วที่สุดในเวลานั้นได้
ภาพ: Google Research
อีกข้อดีที่วงจรตัวนำยิ่งยวดมีนั่นคือความสามารถในการปรับขนาดได้ เนื่องจากวงจรนี้เป็นของแข็งที่สามารถสร้างไว้บนชิปได้ง่าย ทำให้การเพิ่มจำนวนคิวบิตสามารถปั๊มและต่อเข้าด้วยกันเพื่อรวมระบบในพื้นที่ขนาดเล็กได้ดี ต่างจากการดักจับไอออนที่การเพิ่มจำนวนไอออนในกับดักเดียวกันจะทำให้ควบคุมยากขึ้น แต่การสร้างกับดักจับไอออนหลายอันก็ทำให้กระบวนการสร้างซับซ้อนขึ้นด้วย ทั้งสองเทคนิคจึงมีข้อดีข้อเสียที่ไม่เหมือนกัน แต่ทั้งคู่ยังถือว่าเป็นหลักการพื้นฐานสำหรับการพัฒนาคิวบิตที่ได้รับความสนใจจากนักวิทยาศาสตร์อย่างมาก
ในปี 2019 หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์เจ้าของรางวัลโนเบลในปีนี้อย่าง จอห์น มาร์ตินิส ในฐานะหัวหน้าทีมวิจัย Quantum AI ของ Google ได้สาธิตการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบวงจรตัวนำยิ่งยวดที่ทีมเขาพัฒนาขึ้นในชื่อว่า Sycamore มันสามารถแก้โจทย์ที่ซับซ้อนมากในเวลาแค่ 200 วินาที เอาชนะคอมพิวเตอร์ทุกตัวที่ Google พัฒนาขึ้นมาได้ในขณะนั้น โดยถ้าเทียบกับการประเมินคอมพิวเตอร์ดั้งเดิมที่ทรงพลังที่สุดยังต้องใช้เวลาประมาณ 10,000 ปีในการทำโจทย์เดียวกัน นี่จึงเป็นเหตุการณ์สำคัญที่รู้จักกันในชื่อ ‘Quantum Supremacy’ ซึ่งเป็นเหตุการณ์สำคัญที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถเอาชนะคอมพิวเตอร์ดั้งเดิมที่ดีที่สุดในโลกได้
นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ยังคงพัฒนาเทคนิคทางด้านควอนตัมกันต่อไป ทั้งการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทรงพลังและเสถียรมากขึ้น หรือการทำความรู้จักกับโลกควอนตัมให้กระจ่างมากกว่าที่เคย ซึ่งไม่ว่านักวิทยาศาสตร์จะกำลังพัฒนาความรู้ด้านควอนตัมในด้านไหน ผลงานการค้นพบปรากฏการณ์การลอดอุโมงค์เชิงควอนตัมระดับมหภาค และการควอนไทซ์ของพลังงานในวงจรไฟฟ้า ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2025 ก็ถือเป็นหมุดหมายสำคัญที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้รู้เทคนิคการทำความเข้าใจควอนตัมได้มากขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ
ภาพ: Vink Fan via Shutterstock
