นิตยสาร สสวท. ฉบับที่ 256

6 | นิตยสาร สสวท. ควอนตัมคืออะไร คำ �ว่า “ควอนตัม” หมายถึง ปริมาณที่เล็กที่สุดของพลังงานที่ สามารถเกิดขึ้นหรือแลกเปลี่ยนได้ในระดับอะตอมหรืออนุภาคย่อย ซึ่งเป็น แนวคิดสำ �คัญในสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่เรียกว่า กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) หรือ ฟิสิกส์ควอนตัม (Quantum Physics) โดยการพัฒนาสาขานี้เกิดขึ้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์พบว่าฟิสิกส์แบบฉบับ (Classical Physics) ไม่สามารถอธิบายพฤติกรรมของสสารและพลังงาน ในระดับเล็กมาก เช่น อิเล็กตรอนหรือโฟตอน ปรากฏการณ์ของอนุภาค ขนาดเล็กมีความแตกต่างจากปรากฏการณ์ของวัตถุขนาดใหญ่หลายอย่าง ที่สำ �คัญ การอยู่ในหลายสถานะพร้อมกัน (Superposition) การพัวพัน ทางควอนตัมของอนุภาค (Quantum Entanglement) และการเปลี่ยนแปลง สถานะเมื่อถูกวัด (Measurement Effect) ลักษณะเหล่านี้นำ �ไปสู่ แนวคิดที่ปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี และเป็นพื้นฐานสำ �คัญ ของควอนตัมคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) เริ่มต้นขึ้น ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 โดยมีนักฟิสิกส์ผู้บุกเบิกหลายคน เช่น แมกซ์ แพลงก์ (Max Planck) อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) แวร์เนอร์ ไฮเซนเบอร์ก (Werner Heisenberg) เออร์วิน ชเรอดิงเงอร์ (Erwin Sc hrö dinger) นีลส์ บอร์ (Niels Bohr) ได้พยายามอธิบายพฤติกรรม ของอนุภาคในระดับเล็กมากที่มีพฤติกรรมและธรรมชาติไม่สอดคล้องกับ ฟิสิกส์แบบฉบับ หลักการสำ �คัญในฟิสิกส์ควอมตัมที่นำ �มาพัฒนาควอนตัม คอมพิวเตอร์ ได้แก่: 1. ซูเปอร์โพสิชัน (Superposition) เป็นหนึ่งในปรากฏการณ์สำ �คัญ ของอนุภาคที่มีขนาดเล็ก ซึ่งตามหลักการในกลศาสตร์ควอนตัม อธิบายว่า อนุภาคในระดับควอนตัม เช่น อิเล็กตรอน โฟตอน สามารถอยู่ใน หลายสถานะพร้อมกันได้ในเวลาเดียวกันจนกว่าจะมีการวัดหรือสังเกต สถานะของมัน อนุภาคสามารถอยู่ในหลายสถานะพร้อมกัน เช่น คิวบิต ในควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่เป็นทั้ง 0 และ 1 ได้ในเวลาเดียวกัน เป็น สถานะซ้อนกันเชิงพีชคณิต (Linear Combination) ซูเปอร์โพสิชัน (superposition) ที่มา https://today.line.me/th/v3/article/aGjg5rG ในฟิสิกส์แบบฉบับ เช่น การโยนเหรียญ เหรียญจะเป็น หัว หรือ ก้อย อย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น แต่ในโลกของควอนตัม หากเปรียบสถานะ ของอนุภาคเป็นเหรียญที่หมุนอยู่ในอากาศ อนุภาคนั้นจะไม่เป็นหัวหรือก้อย เพียงอย่างเดียว แต่มันจะเป็นทั้งหัวและก้อยในเวลาเดียวกันจนกว่าเราจะ สังเกตหรือวัดผล นักฟิสิกส์ เออร์วิน ชเรอดิงเงอร์ (Erwin Sch rö dinger) เสนอภาพเปรียบเทียบ “แมวในกล่อง”เพื่ออธิบายแนวคิดซูเปอร์โพสิชัน: - สมมุติว่ามีแมวอยู่ในกล่องที่ปิดทึบ - มีกลไกสุ่มที่อาจปล่อยสารพิษออกมาฆ่าแมวหรือไม่ปล่อยก็ได้ - หากไม่มีใครเปิดกล่องดู เราไม่สามารถรู้ว่าแมวตายหรือยังมี ชีวิตอยู่ - ในเชิงควอนตัม แมวจึงอยู่ในสถานะทั้งตายและมีชีวิตพร้อมกัน จนกว่าเราจะเปิดกล่องและสังเกต 2. หลักของความไม่แน่นอน (Uncertainty Principle) โดย ไฮเซนเบิร์กระบุว่าเราไม่สามารถวัดตำ �แหน่งและความเร็วของอนุภาค พร้อมกันได้อย่างแม่นยำ � กล่าวคือ ยิ่งเราวัดตำ �แหน่งของอนุภาคได้แม่นยำ �มากเท่าไร ความไม่แน่นอนในการวัดโมเมนตัมของมันก็จะมากขึ้น และในทางกลับกัน ก็เช่นเดียวกันในระดับอะตอมหรือเล็กกว่านั้น พฤติกรรมของอนุภาคไม่ได้ แน่นอนเหมือนวัตถุขนาดใหญ่ที่เราคุ้นเคย เราไม่สามารถวัด “ตำ �แหน่ง” และ “ความเร็ว” ของอิเล็กตรอนได้พร้อมกันอย่างชัดเจน สิ่งที่เราทำ �ได้ คือ “ประมาณค่าความน่าจะเป็น” ว่ามันจะอยู่ที่ไหนหรือมีโมเมนตัมเท่าใด การพัวพันทางควอนตัม (Quantum Entanglement) คือ ปรากฏการณ์ ที่อนุภาคตั้งแต่สองตัวขึ้นไปมีสถานะเชื่อมโยงกันอย่างลึกซึ้งจนกระทั่งการ เปลี่ยนแปลงสถานะของอนุภาคหนึ่งจะมีผลต่อสถานะของอีกอนุภาคทันที ไม่ว่าทั้งสองจะอยู่ห่างกันแค่ไหนในเอกภพ เมื่ออนุภาคสองตัวพัวพันกัน การเปลี่ยนแปลงในตัวหนึ่งจะมีผลต่ออีกตัวทันทีแม้อยู่ห่างกันมาก - ความหมายของการพัวพัน เมื่ออนุภาคสองตัวเกิด “พัวพัน” กัน มันจะมีสถานะรวมที่ไม่สามารถแยกออกจากกันได้ เช่น ถ้าหนึ่งในอนุภาค ถูกวัดและพบว่าอยู่ในสถานะหนึ่ง อีกตัวจะอยู่ในสถานะตรงกันข้ามทันที แม้จะอยู่ไกลกันหลายปีแสง ปรากฏการณ์นี้ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เคยเรียกว่า “การกระทำ �ที่น่ากลัวจากระยะไกล” (Spooky Action at a Distance) - ตัวอย่างง่ายๆ สมมุติว่าเรามีอนุภาคคู่หนึ่งที่พัวพันกัน: หาก วัดอนุภาคแรกแล้วพบว่าอยู่ในสถานะ “สปินขึ้น” (Spin Up) เราจะรู้ทันทีว่า อีกตัวต้องอยู่ในสถานะ “สปินลง” (Spin Down) แม้ทั้งสองจะอยู่คนละด้าน ของกาแล็กซี - ประโยชน์ของการพัวพันทางควอนตัมด้านการใช้งาน เช่น การเข้ารหัสควอนตัม (Quantum Cryptography) การสื่อสารควอนตัม (Quantum Communication) ควอนตัมคอมพิวเตอร์ ควอนตัมเซนเซอร์ แต่ยังได้นำ �ไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีที่นำ �มาใช้ประโยชน์ใน หลากหลายด้าน ดังตัวอย่างต่อไปนี้