แรงบัลดาลใจ 2

 

ส่วนที่ 1 เป็นบทความครับ

1

แล็ปที่สวิตเซอร์ แลนด์ส่งคู่อนุภาคโฟตอนที่เชื่อมกันด้วย Quantum entanglement แยกไปสองแล็ปที่ห่างกัน 18 กิโล แล้วทั้งสองแล็ปวัดค่าต่างๆ ของโฟตอนแต่ละอนุภาค ปรากฏว่าแต่ละอนุภาคเหมือนรู้ และสามารถเหนี่ยวนำสถานะของอีกอนุภาคด้วยวิธีการบางอย่าง แต่ถ้ามีการส่งสัญญาณสื่อสารระหว่างอนุภาคนั้น ข้อมูลต้องถูกส่งด้วยความเร็วเหนือแสงอย่างน้อย 10,000 เท่า แต่ทีมทดลองเชื่อว่าการเหนี่ยวนำของสองอนุภาคน่าจะเกิดขึ้นแบบฉับพลัน (ความเร็วเข้าใกล้อนันต์)

 

2

เป็นเรื่องที่รู้กันมานานแล้วว่านกโดยเฉพาะกลุ่มนกอพยพสามารถหาทิศ ทางจากสนามแม่เหล็กโลกได้ แต่ไม่เคยมีใครรู้เลยว่าเข็มทิศที่อยู่ในตัวนกนั้นมีที่ไปที่มาอย่างไรกัน แน่ มันแอบฝังแม่เหล็กไว้ใต้ปีกหรือว่ามันมี GT 200 ส่วนตัว? ไม่มีใครรู้

ทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยอ๊อกซ์ฟอร์ดและมหาวิทยาลัยแห่งชาติ สิงคโปร์ ได้คำนวณพบว่านกสามารถใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ควอนตัมที่เรียกว่า Quantum Entanglement ในการจับทิศทางสนามแม่เหล็กได้

Quantum Entanglement เป็นปรากฏการณ์ที่อนุภาคตัวหนึ่ง เช่น อิเล็กตรอน สามารถ “รับรู้” เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นกับอนุภาคอีกตัวหนึ่งซึ่งเป็นคู่ของมันได้ แม้ว่าทั้งสองจะแยกอยู่ห่างกัน ลองสมมติว่ามีคนตบหน้าแฟนคุณ แล้วคุณซึ่งถูกปิดหูปิดตาอยู่อีกมุมห้องรู้สึกเจ็บหน้าไปด้วย อันนี้คือมนต์รักควอนตัมที่เกิดจาก Quantum Entanglement (เรื่องสมมตินะ ปรากฏการณ์ควอนตัมส่วนใหญ่จะเกิดกับอนุภาคขนาดเล็กมากๆ ถ้าคุณเจ็บได้จริงนี่คงเกี่ยวกับ “สมองส่วนกลาง” พัฒนาดีเกินไปแล้วหละ สงสัยตอนเด็กเรียนเล่นกลกับ PMC มา ล้อเล่นนะ)

มีทฤษฎีหนึ่งเสนอว่าในเรตินาของนกมีโปรตีน cryptochromes ที่ไวต่อแสงอยู่ เมื่อมีแสงตกกระทบ อิเล็กตรอนตัวหนึ่งจะเด้งหลุดออกมาชั่วคราว ปล่อยให้คู่อิเล็กตรอนของมันอีกตัวซึ่งมีสปินตรงกันข้ามอยู่เดียวดาย อิเล็กตรอนที่เด้งหลุดออกมาข้างนอกจะโยกไปโยกมาตามอิทธิพลของสนามแม่เหล็ก โลก แต่คู่ของมันโดนทั้งสนามแม่เหล็กโลกและแรงทางแม่เหล็กที่โมเลกุลโปรตีนส่ง ออกมา เนื่องจากทั้งสองยังมีความผูกพันเชื่อมกันอยู่ด้วย Quantum Entanglement อิเล็กตรอนทั้งสองตัวเลยรับรู้ได้ว่าคู่ของมันโดนกระทำอย่างไรบ้าง ความแตกต่างนี้จะส่งผ่านเป็นข้อมูลเข้าสู่สมองให้นกแปลผลออกมาเป็นทิศทาง

3.

ภาพ (a) เป็นภาพแสดงการจัดตั้งอุปกรณ์ในการทดลอง โดย P1 และ P2 เป็น Polarizer ส่วน D1 และ D2 เป็นเครื่องตรวจวัด (detector) ส่วนภาพ (b) เป็นภาพแสดงโครงสร้างการเปลี่ยนระดับพลังงานระดับอะตอม (atomic transition) ซึ่งเป็นตัวก่อให้เกิดการพัวพันเชิงควอนตัมกันของอะตอมและโฟตอน และนำไปสู่การส่งข้อมูลด้วยคิวบิตของอะตอม (atomic qubit) (ภาพจาก Georgia Institute of Technology)

เชื่อกันว่าระบบเครือข่ายการติดต่อสื่อสารเชิงควอนตัม (Quantum Communication Network) เป็นระบบการสื่อสารที่มีความปลอดภัยสูงต่อการถูกดักฟังหรือถูกขโมยข้อมูล เพราะอาศัยหลักการทางทฤษฎีควอนตัมที่ว่า เมื่อมีใครมาทำการใดๆที่รบกวนพฤติกรรมของอนุภาคที่มีความพัวพันเชิงควอนตัม ( Quantum Entanglement) กันอยู่ในระบบ มันจะส่งผลกระทบถึงอนุภาคตัวอื่นๆในระบบทันที ทำให้ผู้ส่งข้อมูลและผู้รับข้อมูลสามารถรู้ได้ทันทีว่า มีคนพยายามดักฟังหรือพยายามขโมยข้อมูลอยู่ ( รายละเอียดของคำว่า Quantum Entanglement จะถูกอธิบายเพิ่มเติมใน ความเห็นเพิ่มเติม ข้างล่าง)

เมื่อเร็วๆนี้ นักฟิสิกส์ที่สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจีย (Geogia Tech) ได้ประสบความสำเร็จอีกขั้นหนึ่งในการพัฒนาระบบเครือข่ายการติดต่อสื่อสาร เชิงควอนตัม ด้วยการที่พวกเขาทำให้ โฟตอนหนึ่งตัวกับอะตอมอีกหนึ่งตัวที่ปะปนอยู่ในกลุ่มหมอกอะตอม ซึ่งมีความพัวพันเชิงควอนตัมกัน พวกเขายังกล่าวด้วยว่า การทำ quantum entanglement ระหว่างโฟตอนและกลุ่มอะตอมที่อยู่ในสภาวะกระตุ้นครั้งนี้ได้ผ่านบททดสอบที่ เข้มงวดของ “การละเมิดกฎการไม่เท่ากันของเบลล์ (Bell inequality violation)” ซึ่งเป็นบททดสอบที่ต้องพิสูจน์ให้ทุกคนเห็นว่าระบบที่พวกเขาใช้มีการแสดง พฤติกรรมเชิงควอนตัมหรือไม่

การค้นพบครั้งนี้ เป็นก้าวสำคัญในการพัฒนา ระบบการติดต่อสื่อสารเชิงควอนตัมระยะไกล และผลการวิจัยครั้งนี้ ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารชั้นนำด้านฟิสิกส์ Physical Review Letterrs ในฉบับวันที่ 22 กรกฎาคม 2548

ด้วยการอาศัยโฟตอนหรืออะตอมเป็นสื่อนำพาข้อมูลจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ระบบเครือข่ายได้อาศัยวิธีการที่เรียกว่า การกระจายรหัสความปลอดภัยเชิงควอนตัม (quantum cryptographic key distribution) นั่นก็คือ การอาศัยอนุภาคสื่อนำข้อมูลทั้งสองตัว ซึ่งได้แก่ คิวบิตของโฟตอน (photonic qubit) และคิวบิตของอะตอม (atomic qubit) ที่ถูกทำให้มีความพัวพันเชิงควอนตัมกันอยู่ และเมื่อมีการไปรบกวนอนุภาคหนึ่งอนุภาคใดในระบบนี้ ด้วยหลักการทางทฤษฎีควอนตัมฟิสิกส์แล้ว อนุภาคอื่นๆในระบบจะมีผลกระทบทันที ทำให้เราจะสามารถตรวจจับพวกดักฟังที่มาทำให้ระบบมีการเปลี่ยนแปลงอันเนื่อง มาจากการพยายามดักฟังของพวกเขา

อย่างไรก็ดีงานวิจัยด้านรหัสความปลอดภัยเชิงควอนตัมยังมีความท้าทายที่รอ อยู่อีกมาก หนึ่งในความท้าทายนั้นคือ การทำอย่างไรเพื่อให้ได้มาซึ่งอนุภาคที่เก็บข้อมูลได้นานเพียงพอและสามารถ เดินทางได้ไกลเพื่อถึงจุดหมายที่ต้องการได้

ในทางทฤษฎีแล้ว คิวบิตของโฟตอนสามารถเดินทางได้ระยะไกลระยะหนึ่งก่อนที่จะถูกดูดซับโดยท่อใย แก้ว แต่ว่ามันมีข้อเสียที่ไม่สามารถกักเก็บข้อมูลได้นานเพียงพอ ในทางกลับกัน คิวบิตของอะตอมนั้น สามารถกักเก็บข้อมูลได้นานกว่า แต่ไม่สามารถเดินทางได้ไกล เพราะฉะนั้นแล้ว ระบบที่พัวพันเชิงควอนตัมของอะตอมและโฟตอนจะสามารถแก้ปัญหาทั้งเวลาและระยะ ทางได้เป็นอย่างดี แต่ปัญหาที่ท้าทายอีกอย่างก็คือทำอย่างไรให้อนุภาคพวกนี้มีความพัวพันเชิง ควอนตัมกันด้วยวิธีง่ายๆ และใช้อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์น้อยที่สุด

นักฟิสิกส์ Alex Kuzmich และ Brian Kennedy ได้เกิดความคิดว่า การใช้กลุ่มของอนุภาคจำนวนเยอะๆ น่าจะเป็นวิธีการที่ได้ผล โดยแทนที่จะเป็นการพยายามแยกอะตอมตัวหนึ่งออกมาแล้วทำให้มันอยู่ในสภาวะ กระตุ้น พวกเขาได้ทำให้กลุ่มหมอกของอะตอมหลายๆตัวถูกกระตุ้นแทน

Kuzmich ผู้ช่วยศาสตราจารย์ สาขาฟิสิกส์ ที่ Geogia Tech ได้กล่าวว่า “วิธีการใช้กลุ่มคิวบิตของอะตอมนี้ง่ายกว่าวิธีการใช้อะตอมตัวเดียว และ ด้วยวิธีการนี้ทำให้เราลดปริมาณของฮาร์ดแวร์ที่จำเป็นต้องใช้ให้น้อยลง เนื่องจากว่าเราสามารถข้ามขั้นตอนที่ต้องแยกอะตอมให้ออกมาตัวเดียวไปได้เลย” Kuzmich กล่าวต่อว่า “อันที่จริงแล้ว เราไม่จำเป็นต้องรู้ หรือ ต้องการที่จะรู้ด้วยซ้ำว่า อะตอมตัวไหนที่อยู่ในกลุ่มหมอกเป็นคิวบิต และ ยิ่งกว่านั้น ในผลงานวิจัยครั้งนี้ เรายังสามารถแสดงให้เห็นได้ว่า ระบบที่พัวพันเชิงควอนตัมกันอยู่ของอะตอมกับโฟตอนที่พวกเราสร้างขึ้นได้ ละเมิดกฎการไม่เท่ากันของเบลล์ (Bell inequality violation) ”

Kennedy ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์แห่ง Geogia Tech ได้กล่าวว่า “ด้วยเทคนิคการใช้อะตอมเพียงตัวเดียว มันเป็นการยากที่จะควบคุมระบบ อันเนื่องมาจากต้องมีการตระเตรียมหลายขั้นตอน แต่การให้ได้มาของกลุ่มหมอกอะตอมหลายๆตัวที่อยู่ในสภาวะกระตุ้นนั้น การตระเตรียมเบื้องต้นมีเพียงเล็กน้อยเท่านั้น เราไม่จำเป็นต้องไปวุ่นวายกับ สถานะภายใน (internal state) มากนัก ซึ่งนั่นเป็นสิ่งที่ต้องกังวลอย่างมากในการใช้อะตอมตัวเดียว”

นอกเหนือจากการทำให้ระบบผ่านบททดสอบที่เข้มงวดของ Bell inequality แล้ว นักฟิสิกส์กลุ่มนี้ ได้อ้างว่า พวกเขาสามารถเพิ่มระยะเวลาของการกักเก็บข้อมูลของกลุ่มหมอกอะตอมได้อีกหลาย เสี้ยววินาที ( เสี้ยววินาที ในที่นี้ อยู่ในระดับขนาด 10^-6 วินาที) ซึ่ง เวลาขนาดนี้มีขนาดเป็นห้าสิบเท่า ของเวลาที่ใช้ในการตระเตรียมและวัดการพัวพันกันเชิงควอนตัมของอะตอมและโฟตอน

ความท้าทายอีกอันของระบบเครือข่ายการติดต่อสื่อสารเชิงควอนตัมก็คือ ความจำเป็นของการที่ต้องมี node กับตัวทำซ้ำ (repeater) ของเครือข่าย เพื่อเป็นตัวเชื่อมการถ่ายโอนข้อมูลของอนุภาคโฟตอน อันเนื่องมาจากว่า โฟตอนจะถูกดูดซับหายไปด้วยท่อใยนำแสงเมื่อมันเดินทางมาได้ระยะทางไกลๆ ระยะหนึ่ง

Kennedy ยังได้กล่าวอีกว่า “ขั้นตอนที่สำคัญในการพัฒนาระบบการติดต่อสื่อสารเชิงควอนตัมอีกอย่างก็คือ การสร้างส่วนต่างๆ ของระบบ (ทั้ง node และ repeater และระบบของอะตอมและโฟตอนที่มีความพัวพันเชิงควอนตัม) เหล่านี้ให้อยู่ด้วยกันและทำการยืนยันให้ได้ว่า พวกมันมีพฤติกรรมเชิงควอนตัม”

ข้อมูลจาก
http://www.sciencedaily.com/releases/2005/08/050814174734.htm

– ฉบับตีพิมพ์ของงานชิ้นนี้ใน Physical Review Letters
http://www.physics.gatech.edu/qoptics/papers/MatsukevichPRL.pdf

ข้อมูลเพิ่มเติม

– ข่าวงานด้านนี้ในเว็บของสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจีย
http://www.gatech.edu/news-room/release.php?id=599

– เว็บกลุ่มวิจัยด้าน Quantum Optics ที่สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจีย
http://www.physics.gatech.edu/qoptics/

– บทความ “ไอน์สไตน์กับทฤษฎีควอนตัม” ของ อ. สุทัศน์ ยกส้าน ในเว็บ manager.co.th
http://www.manager.co.th/Daily/ViewNews.aspx?NewsID=9480000106410

– เว็บศูนย์วิจัยด้าน Quantum Computation ของ Cambridge University
http://www.qubit.org/

– เว็บงานวิจัยด้าน Quantum Information ของสถาบันมาตรวิทยาของสหรัฐฯ

 

 

ส่วนที่สองเป็นcomment
1.
รายละเอียดเพิ่มเติมดูใน Nature ฉบับล่าสุดครับ

Quantum entanglement อธิบายให้ง่ายยยยยยที่สุดคือ

หากมีอนุภาคสองอนุภาคที่มีจุดกำเนิดเดียวกัน

ปรากฏการณ์ใดก็ตามที่เกิดขึ้นกับอนุภาคหนึ่งจะส่งผลต่ออีกอนุภาคในทางตรงข้ามในทันที
แม้ว่าทั้งสองอนุภาคจะอยู่ห่างกันนับล้านปีแสงก็ตาม

อย่างเช่น มีอนุภาค A กับอนุภาค B Entangle กันอยู่ห่างกันล้านปีแสง

เราจับ A ไปไว้ในสนามอะไรสักอย่าง ทำให้ A Spin up

B ก็จะ Spin down ทันที

2.
อธิบายมากกว่านี้ไม่ได้ เดี๋ยวมั่ว รอท่านอื่นมาเสริม

ยาน สำรวจต่างๆ ที่ส่งออกไปนอกโลกตอนนี้ก็ต้องใช้เวลาหลายนาที เพื่อจะส่งข้อมูลกลับมาโลก และ ใช้เวลา หลายนาที เพื่อที่จะส่งสัญญาณควบคมจากโลก กลับไปหายาน
แต่ด้วย ควันตัม นี้เอง ต่อไป เราจะสามารถ คอนโทรล ยาน จากที่โลกได้โดยตรงทันที

รวมถึง เครื่องบินไร้คนขับ
รวมถึง หุ่นยนต์สำรวจเขตภัยพิบัติ

และถ้า ควันตัมวิศวกรรม พัฒนาไปไกลพอ เราอาจจะมี โรงไฟฟ้า ในอวกาศ ที่ ส่งพลังงานกลับมายังโลก ด้วย เทคโนโลยี ควันตัม ด้วยก็เป็นได้

 

ความพัวพันเชิงควอนตัม (Quantum Entanglement) เป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่สถานะทางควอนตัมของอนุภาคสองตัวใดๆ หรือมากกว่าสองตัวขึ้นไป ต้องมีการอ้างอิงถึงกันเสมอ ถึงแม้ว่าพวกมันจะแยกอยู่คนละตำแหน่ง

ยกตัวอย่างเช่น ถ้าอนุภาคสองตัวถูกทำให้อยู่ในสถานะทางควอนตัมเดียวกัน เมื่อเราทำการวัด เราจะเห็นอนุภาคตัวหนึ่งมี spin ขึ้นและอีกอนุภาคมี spin ลง เสมอ ถึงแม้ว่า ตามหลักทฤษฎีควอนตัมฟิสิกส์ มันเป็นไปไม่ได้เลย ที่จะทำนายว่าอนุภาคคู่ใดที่ถูกทำการวัดอยู่ และด้วยเหตุนี้ การทำการวัดของระบบใดระบบหนึ่งจะส่งผลกระทบกับอีกระบบทันที

 

คุณชยุตค้นเจอหรือยังครับกับคำว่า “อนุภาคมันจะรู้”

ที่จริงแล้วในเรื่องนี้ข้อมูลมันไม่ได้เดินทางเร็วกว่าแสงเหมือนอย่างที่จั่วหัวไว้หรอกครับ ในกระทู้ที่เอามามีคนอธิบายไว้ว่า

1. ความคิดเห็นที่ 25

   มันไม่ได้ส่ง

   พูดอย่างนี้จะถูกกว่าครับ คุณ Styer

   ข้อมูลเหล่านั้นไม่ได้ส่ง มันไม่ได้ใช้ความเร็วเลย

   เมื่อสิ่งหนึ่งเกิดขึ้น อีกสิ่งก็เกิดขึ้น พร้อมกัน ไม่ได้ใช้เวลา

   จากคุณ : Cryptomnesia

2. 
   ความคิดเห็นที่ 31

   ผมจะอธิบายแบบบ้านๆแล้วกันนะครับ
   ความจริงเขาใช้แสงที่เกิดจากแหล่งกำเนิดเดียวกันออกมาพร้อมกันสองตัว ตัวนึงมีสถาณะตรงข้ามกับอีกตัวนึง

   ไม่ใช้อยู่ดีๆ เอา photon สองตัวมาทำให้มัน entangled กันนะครับ

   การส่งข้อมูลก็

   เหมือนกับ มีคนเอารองเท้าหนึ่งคู่ แยกเป็นสองข้าง แล้วหลับตาหยิบข้างหนึ่งใส่กล่องใบที่ 1 หยิบอีกข้างที่เหลือใส่กล่อง ใบที่ 2

   (ของที่อยู่ในกล่องมีความสัมพันธ์แบบ entanglement คือ ถ้าแยกรองเท่าออกมาเป็นข้าง จะได้ ขวา–ซ้าย หรือ ซ้าย–ขวา เท่านั้น ไม่มีทางได้ ซ้าย–ซ้าย หรือ ขวา–ขวา)

   ทีนี้กล่องใบนึงถูกส่งไปขั้วโลกเหนือ อีกกล่องส่งไปขั้้วโลกใต้ ไม่มีใครรู้เลยว่าข้างในกล่องไหนใส่รองเท้าข้างไหนอะไร(แต่ทุกคนรู้ว่ามัน มากจากรองเท้าคู่เดียวกัน)

   ผู้รับทั้งสองคน เปิดกล่องดูพร้อมๆกัน เมื่อผู้รับทีขั้วโลกเหนือเปิดกล่องดูปรากฎว่าได้รองเข้าข้างซ้าย ใน ขณะนั้นก็จะได้ข้อมูลในทันที่!!! ว่าคนที่ขั้วโลกใต้ได้รองเท้าข้างขวา โดยไม่อาศัยเวลาเลย (ในทางกลับกันคนทางใต้ก็รู้ข้อมูลของคนทางเหนือทันทีเหมือนกัน)

   ซึ่งข้อมูลนี้เร็วกว่าการที่จะส่งแสงข้ามโลกไปบอกอีกฝ่ายว่าตอนนี้ได้ของอะไร

   เหตุการณ์นี้จะเกิดขึ้นไม่ได้เลยถ้าเกิดคนส่งใส่ของที่ไม่มีความสัมพันธ์แบบ entanglement ลงไป เช่น ใส่ของหมวกที่เหมือนกัน 2 ใบลงไป หรือใส่หินเล็กใหญ่ไปอย่างละก้อน (แล้วคนรับจะรู้ได้ไงว่าที่ได้ไปนี่มันเรียกว่าใหญ่หรือเล็ก)

   แต่ความคิดผมว่ามันไม่ได้เรียกว่าส่งข้อมูลนะ เพราะว่าใช้ส่งไม่ได้ รับได้อย่างเดียว
   “a signal passes between the two particles faster than light”
   สัญญาณจากผู้รับทั้งสองเร็วกว่าแสง(ไม่ใช้เวลา) แต่สัญญาณจากผู้ส่งถึงผู้รับนานเท่าเดิม ในกรณีผมส่งทางเรือก็เป็นเดือน

   และที่สำคัญผมรู้สึกว่าเวลาเอามาเขียนชอบทำให้ผู้อื่นสับสน
   “Two entangled particles are so deeply linked that measuring one influences the other”

   จากตัวอย่างที่ผมยกมานะครับ ถ้าคุณอยู่ที่ขั้วโลกใต้ แล้วได้กล่องมายังไม่เปิดดู โอกาสคือ 50:50 ที่คุณจะได้รองเท้าข้างซ้ายหรือขวา ไม่มีใครรู้ เป็นสิ่งลึกลับ

   แต่เมื่อผมซึ่งอยู่ขั้วโลกถ้าผมเปิดกล่องแล้วเกิดได้รองเท้าข้างซ้าย จะเป็นการเสกให้ของที่อยู่ในอีกกล่องของคุณจากเดิม 50:50 เป็นรองเท้าข้างขวา
   ไปในทันที ถึงคุณจะยังไปเปิดดูก็ตาม….. ถามว่าผมไปแอบเปลี่ยน(มี influences ) ของที่อยู่ในกล่องของคุณหรือเปล่า เปล่าเลย