เมื่อกลศาสตร์ควอนตัมกำลังจะเปลี่ยนแปลงโลก

A A
Nov 4, 2021
Nov 4, 2021
A A

     เราคงคุ้นเคยกับมิติควอนตัมหรือ  Quantum Realm ในภาพยนตร์หลาย ๆ เรื่องของจักรวาลมาร์เวล ทั้ง Ant-Man, Dr. Strange หรือ Avengers : End Game ซึ่งมีตัวละครที่สำคัญตัวหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎี ควอนตัมนั่นก็คือ ‘แอนท์แมน’ ซูเปอร์ฮีโร่ที่สามารถ ย่อหรือขยายร่างกายได้โดยใช้เทคโนโลยีพิเศษที่มี ‘อนุภาค Pym’ เป็นองค์ประกอบสำคัญ ซึ่งอนุภาค Pym นี้เองที่ช่วยในการแปลงสสารหรืออนุภาคของสิ่งของ หรือร่างกายมนุษย์ให้มีขนาดตามที่ต้องการได้ ครั้งหนึ่งแอนท์แมนได้ใช้อนุภาคนี้ย่อขนาดของตัวเองให้เล็กลง จนถึงระดับที่เล็กกว่าอะตอมจนหลุดเข้าไปอยู่ในมิติควอนตัม ซึ่งในเรื่องถือว่าเป็นมิติที่มีสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กมาก ๆ เท่านั้นที่อาศัยอยู่ได้โดยไม่คำนึงถึงเวลา ซึ่งในภาพยนตร์นั้นได้อ้างอิงความรู้ทางด้านวิทยาศาสตร์ ที่เรียกว่ากลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics)

     กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) อธิบายถึงอนุภาคระดับอะตอมซึ่งไม่สามารถ ใช้ฟิสิกส์แบบคลาสสิกอธิบายได้ ตัวอย่างเช่น กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน ที่ว่าด้วยแรงที่มีผลต่อวัตถุ ทำให้วัตถุหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ทำให้ผลรวมของแรง(แรงลัพธ์) เท่่ากับศูนย์ (กฎข้อที่ 1) หรือเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่คงที่จึงเกิด “ความเร่ง” เพราะมีแรงมากระทำในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ทำให้การเคลื่อนที่ของวัตถุนั้นเปลี่ยนไป (กฎข้อที่ 2) หรือจะเป็นกฎข้อที่ 3 ที่หลาย ๆ คนน่าจะคุ้นเคยกันดี นั่นคือแรงกิริยา = แรงปฏิกิริยา (Action = Reaction) เช่น การที่มีคนมาตบหน้าเราด้วยแรงขนาดหนึ่ง ใบหน้าของเราก็ได้ตอบโต้มือที่ตบนั้นด้วยแรงที่มีขนาดเท่ากัน เพราะฉะนั้นเมื่อมีใครมาตบหน้าเราจงรู้ไว้เลยว่า เราเอาคืนอย่างสาสมแล้ว ซึ่งกฎของนิวตันเป็นหนึ่งในฟิสิกส์แบบดั้งเดิม (Classic Physics) ที่อธิบาย ปรากฏการณ์ของวัตถุที่มีขนาดใหญ่ที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า แต่กลับไม่สามารถอธิบายถึง ปรากฏการณ์ของวัตถุที่มีขนาดระดับอะตอมได้ ฟิสิกส์สมัยใหม่อย่างกลศาสตร์ควอนตัมจึงนำมาอธิบาย ปรากฏการณ์เหล่านี้

    พฤติกรรมแปลก ๆ ของอนุภาคระดับอะตอมนั้น ถ้าจะให้ยกตัวอย่างง่าย ๆ ที่เรารู้จักก็เช่น โฟตอน (ซึ่งเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของแสง) กระทำตัวเป็นทั้ง “คลื่น” และ “อนุภาค” ในเวลาเดียวกัน (Wave-Particle Duality) ขึ้นกับผู้สังเกตว่าถ้าเราไม่สังเกตอย่างตั้งใจเราก็จะเห็นแสงอย่างที่เราเห็นโดยทั่วไป (ซึ่งคลื่นนี้เราไม่สามารถสังเกตได้ชัดเจน) แต่ถ้าเราตั้งใจสังเกตเมื่อไหร่เราจะเห็นเป็นกลุ่มของอนุภาค ที่เคลื่อนที่เป็นกลุ่มของอนุภาคไปยังเป้าหมายหรือฉากรับ ซึ่งต้องใช้เครื่องมือในการตรวจจับเพราะเรา ไม่สามารถมองเห็นอนุภาคเหล่านั้นด้วยตาเปล่าได้

     จะเห็นได้ว่า โฟตอน เป็นตัวอย่างที่ดีในการอธิบายพฤติกรรมของอนุภาคควอนตัมซึ่งมีพฤติกรรมสำคัญ ที่วัตถุขณะที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าไม่สามารถทำได้ ตัวอย่างเช่น การทะลุผ่านสิ่งของของอนุภาค เหมือนกับอนุภาคของแสง ซึ่งแสงสามารถทะลุผ่านกระจกใสได้โดยไม่เกิดรูบนกระจก ปรากฏการณ์หรือพฤติกรรมของอนุภาคโฟตอนนี้เรียกว่า Quantum Tunneling หรือ อุโมงค์ควอนตัม นักวิทยาศาสตร์ได้อธิบายปรากฏการณ์นี้ว่าเหมือนกับการที่เราจะกลิ้งลูกบอลผ่านภูเขาหนึ่งลูก ถ้าแรงที่ผลักลูกบอลมีน้อยเกินไป ก็ไม่สามารถวิ่งข้ามภูเขาได้ มันจึงต้องใช้พลังงานอย่างมากเพื่อที่จะเอาชนะ ภูเขาลูกนี้ แต่ในทางกลับกัน ถ้าลูกบอลลูกนี้มีขนาดเล็กกว่าอะตอม เชื่อหรือไม่ว่ามันมีโอกาสที่จะสามารถ ทะลุภูเขาลูกนี้ไปได้ เหมือนกับโฟตอนที่ทะลุผ่านกระจกใสนั่นแหละ แต่ไม่ใช่ทุกอนุภาคที่จะทะลุได้ จะมีอนุภาคบางส่วนสะท้อนกลับหรือถูกดูดกลืนไป

     ยังมีอีกสองพฤติกรรมของอนุภาคควอนตัมที่น่าสนใจ เช่น พฤติกรรมการซ้อนทับของควอนตัม หรือ Quantum Superposition หมายถึงอนุภาคเดียวกันมีโอกาสอยู่ได้หลายตำแหน่งพร้อมกันในเวลาเดียวกันได้ ไม่ว่าจะอยู่ซ้าย-ขวา บน-ล่าง พร้อม ๆ กัน ขึ้นกับผู้สังเกตว่า เวลานั้นได้เห็นอนุภาค ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง หรืออาจจะไม่เห็นเลยก็ได้ ทฤษฎีที่สามารถอธิบายพฤติกรรมนี้คือ ทฤษฎีแมวของชโรดิงเงอร์

     Schrodinger’s Cat หรือ เเมวของชโรดิงเงอร์ ว่าด้วยการนำแมวตัวหนึ่งที่มีสุขภาพดีไปใส่ไว้ใน กล่องทึบใบหนึ่ง ในกล่องนั้นประกอบด้วย กัมมันตภาพรังสีพร้อมเครื่องตรวจจับรังสี ค้อน และขวดยาพิิษ โดยที่กัมมันตภาพรังสีจะมีโอกาสในการสลายตัวเพื่อปล่อยรังสี 50% ถ้าเครื่องตรวจจับรับรู้ถึงรังสี ที่สลายตัวออกมา จะทำให้ค้อนทำงานไปทุบขวดยาพิษแตก แมวก็จะตายจากพิษของยานั้น ทีนี้สิ่งที่ผู้สังเกตต้องมาถ่ายดูว่าเมื่อเปิดกล่องแล้วแมวตัวนั้นจะยังมีชีวิตอยู่หรือไม่ ประเด็นที่สนใจก็คือ เราไม่มีทางรู้เลยว่าตอนที่ยังไม่เปิดกล่องโอกาสของแมวที่ยังมีชีวิตอยู่หรือตายนั้นเท่า ๆ กัน อยู่ที่ว่าเราจะเปิดกล่องตอนไหน ดังนั้น การที่แมวมีสภาวะเป็นหรือตายเท่ากันในกล่องนั่นคือพฤติกรรม Superposition นั่นเอง

     อีกหนึ่งพฤติกรรมที่น่าสนใจของควอนตัมนั่นก็คือ การพัวพันเชิงควอนตัม หรือ Quantum Entanglement พฤติกรรมที่ว่านี้คืออนุภาคระดับอะตอมสองตัวอยู่ห่างกันแต่สามารถสื่อสารถึงกันได้ทันที โดยไม่ต้องส่งสัญญาณหากัน ยกตัวอย่างเช่น สมมุติถ้าเราสามารถใช้พลังจิตได้ เราสามารถสื่อถึงอีกคนได้ทันที โดยไม่ต้องโทรมือถือหรือส่งสัญญาณหาอีกฝ่ายหนึ่งก่อน เป็นต้น หรือถ้าใครเป็นแฟนการ์ตูนนารูโตะ นินจาจอมคาถา จะมีตอนหนึ่งที่นารูโตะ (พระเอกของเรื่อง) กำลังจะฝึกวิชานินจากระสุนวงจักร นารูโตะใช้วิธีการแยกร่างในการฝึก ยิ่งแยกร่างได้จำนวนมากเท่าไร ก็จะย่นเวลาในการฝึกสำเร็จเร็วขึ้นเท่านั้น เพราะร่างแยกทุกร่างสามารถเรียนรู้พร้อมกันได้ทั้งหมดโดยไม่จำเป็นต้องบอกต่อ ๆ กัน

     จะเห็นได้ว่ากลศาสตร์ควอนตัมนั้น สามารถอธิบายพฤติกรรมแปลก ๆ ของอนุภาคขนาดเล็กมาก ๆ ได้ และด้วยพฤติกรรมต่าง ๆ เหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ทั้งหลายจึงนำเอามาใช้ประโยชน์ต่อมวลมนุษยชาติ หนึ่งในนั้นก็คือ Quantum Computer โดยใช้พฤติกรรม Superposition กับ Entanglement มาประยุกต์ใช้ร่วมกัน

     ถ้าอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารคือ อะตอม หน่วยข้อมูลที่เล็กที่สุดของคอมพิวเตอร์เราเรียกมันว่า บิต หรือ Bit ซึ่งย่อมาจากคำว่า Binary Digit หรือว่าเลขฐานสองที่ประกอบด้วยเลข ‘0’ และเลข ‘1’ นั่นเอง ฉะนั้น 1 บิต หรือเลขหนึ่งหลักจะมีค่า ไม่ 0 ก็ 1 แล้วถ้า 8 บิต หรือแปดหลัก เราจะเรียกว่า 1 ไบต์ (Byte) ยกตัวอย่าง เรามีข้อมูลอยู่ 2 บิต นั่นหมายถึงข้อมูลชุดนี้มีเลขอยู่สองหลัก โอกาสที่จะเกิดข้อมูลได้ทั้งหมด สี่ค่าคือ 00, 01, 10 และ 11 ค่าใดค่าหนึ่งเท่านั้น นี่คือคอมพิวเตอร์ทั่วไป

 

 

Quantum

 

แต่ถ้าเกิดเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมล่ะ?

     จำพฤติกรรมของอนุภาคควอนตัมที่เรียกว่า Superposition ได้ไหม? ที่อธิบายด้วยทฤษฎีแมวของชโรดิงเงอร์นั่นแหละ นั่นคือหนึ่งสถานที่สามารถเกิดเหตุการณ์สองเหตุการณ์ พร้อมกัน แมวมีโอกาสที่จะอยู่หรือตายเท่า ๆ กัน อุปมาว่า ถ้าแมวตาย จะแทนด้วยค่า 0 แต่ถ้าแมวอยู่ จะแทนด้วยค่า 1 ซึ่งในข้อมูลหนึ่งหลักของคอมพิวเตอร์ควอนตัม สามารถแทนค่าได้ทั้ง 0 และ 1 พร้อมกัน (ในหลักเดียว) เราจะเรียกหน่วยข้อมูลของคอมพิวเตอร์ควอนตัมนี้ว่า “คิวบิต” (Qubit) หรือ Quantum Bit ถ้าเปรียบให้ง่ายกว่านั้น ให้นึกถึงการโยนเหรียญ 1 เหรียญแล้วมันจะมีโอกาสที่จะออกได้ทีละหน้าเท่า ๆ กัน (ไม่หัวก็ก้อย) แต่ในระบบคิวบิตมันพิสดารกว่านั้น มันสามารถออกทั้งหัวและก้อยพร้อมกันได้ ในคราวเดียวนั่นเอง

     เราลองมาเปรียบเทียบกันระหว่างจำนวนหน่วยข้อมูล 2 บิต ของคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันกับ 2 คิวบิต ของคอมพิวเตอร์ควอนตัม จะพบว่า เพียงแค่ 2 คิวบิตสามารถแสดงชุดข้อมูลได้ทั้ง 00, 01, 10 และ 11 พร้อมกันในครั้งเดียวไม่ใช่โอกาสเกิด 4 ครั้งเหมือนคอมพิวเตอร์ทั่วไป ดังนั้น ถ้าเป็น 3 คิวบิต จะสามารถแสดงชุดข้อมูลได้ 8 ชุด และมันจะเพิ่มเป็นเท่าทวีคูณตามจำนวนหลัก เช่น ถ้าชุดข้อมูลชุดหนึ่งมีค่าเท่ากับ 32 คิวบิต แสดงว่า มันจะแสดงผลของชุดข้อมูลได้ 4.3 พันล้านชุดข้อมูล ( หรือ 2 ยกกำลัง 32) เลยทีเดียว

     คอมพิวเตอร์ควอนตัมในเชิงพาณิชย์เครื่องแรกของโลก ถูกสร้างขึ้นโดยทีมวิจัยของไอบีเอ็ม (IBM Researches) ได้เปิดตัวคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ชื่อว่า IBM Q System One ขึ้นเมื่อเดือนมกราคม 2019 มาพร้อมกับหน่วยประมวลผลข้อมูลขนาด 20 คิวบิต โดยเครื่องนี้ถูกบรรจุอยู่ในกล่องแก้วชนิดพิเศษ ในสภาวะสุญญากาศขนาด 9 × 9 × 9 ฟุต พร้อมทั้งเก็บรักษาในอุณหภูมิประมาณ 0 องศาสัมบูรณ์ และป้องกันแรงสั่นสะเทือนและการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อไม่ให้เครื่องต้องสูญเสียคุณสมบัติ ของอนุภาคควอนตัมไป

     Google เองก็ไม่น้อยหน้า ได้เปิดตัวคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้ซีพียูที่ชื่อว่า ‘Sycamore’ ที่มาพร้อมกับหน่วยประมวลผลถึง 54 คิวบิต ซึ่งทั้งไอบีเอ็มและ Google เองรวมถึงบริษัทอื่น ๆ ก็พยายามพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมของตนเองเพื่อสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ในวงกว้างและบุคคลทั่วไปสามารถเข้าถึงได้ง่ายขึ้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

แล้วคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประโยชน์อย่างไร?

     ถ้าจะให้พูดถึงวิทยาศาสตร์จริงๆคือใช้ในการศึกษาฟิสิกส์อนุภาคหรือฟิสิกส์ในระดับอะตอมได้อย่างง่ายดายมากยิ่งขึ้น ด้วยการประมวลผลระดับสุดยอดนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถจำลองทฤษฎีหรือการทดลองและคำนวณสมการยาก ๆ ที่มีความซับซ้อนได้ในเวลาไม่กี่วินาที ซึ่งจะช่วยให้มีโอกาสในการค้นพบแนวคิดหรือทฤษฎีใหม่ ๆ ของโลกรวมถึงการพัฒนาเครื่องคอมพิวเตอร์ควอนตัมให้ดียิ่งขึ้น

การพัฒนาปัญญาประดิษฐ์ หรือ AI

     ซึ่งปัจจุบันเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์มีบทบาทในชีวิตประจำวัน ของมนุษย์มากยิ่งขึ้น ทั้งอุปกรณ์เครื่องใช้ภายในบ้านหรือสำนักงาน โปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่จะช่วยพยากรณ์ พฤติกรรมการใช้ชีวิตของเราแล้วนำเสนอวิธีการแก้ปัญหาต่าง ๆ ให้เราสะดวกสบายยิ่งขึ้น ยิ่งคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประสิทธิภาพสูงเท่าไหร่ AI หรือปัญญาประดิษฐ์ก็สามารถวิเคราะห์พฤติกรรม บนฐานข้อมูลนับล้านล้านชุดได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำยิ่งขึ้น สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในเชิงการศึกษา หรือเชิงพาณิชย์ได้กว้างขวางมากขึ้น

     ยกระดับมาตรการการรักษาความปลอดภัยทางออนไลน์ ปัจจุบันเรามีเทคโนโลยีความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือด้านธุรกรรมการเงินขั้นสูง ทั้งปลอดภัย น่าเชื่อถือ รวดเร็ว ที่สำคัญค่าธรรมเนียมถูกกว่าเพราะไม่ได้ดำเนินการผ่านตัวกลาง โดยข้อมูลของแต่ละคนจะถูกพ่วงต่อกันทำให้สามารถตรวจสอบได้อย่างรวดเร็วและอัพเดทได้พร้อม ๆ กันทั้งชุดข้อมูล เราเรียกเทคโนโลยีนี้ว่า “Blockchain” อธิบายให้ง่ายขึ้นก็คือการเก็บข้อมูลของแต่ละคน เป็นส่วน ๆ (Block) เชื่อมต่อกันเป็นลูกโซ่ (Chain) โดยมีวิธีการเข้ารหัสที่มีความปลอดภัยสูง และถ้าต้องการ จะแก้ไขหรือเข้าถึงข้อมูลโดยวิธีการแฮ็ค จะต้องแก้ไขข้อมูลทุก ๆ Block ที่มีอยู่ใน Chain เดียวกันพร้อมกัน ในทีเดียว ซึ่งมีความยุ่งยากเสียเวลาและต้องใช้ทรัพยากรเป็นอย่างมาก ยิ่งถ้าชุดข้อมูลเหล่านี้ถูกเก็บรักษาไว้ใน คอมพิวเตอร์ควอนตัมด้วยแล้ว การเข้าแก้ไขรหัสของข้อมูลแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย เพราะการทำงานของ คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันไม่มีทางประมวลผลได้ทันอยู่แล้ว นอกจากเรื่องธุรกรรมทางการเงินแล้ว ยังสามารถไปประยุกต์ใช้ในธุรกิจอื่นได้อีก เช่น การวิเคราะห์การรักษาและข้อมูลคนไข้ในโรงพยาบาล หรือการเชื่อมต่อข้อมูลบัตรประชาชนของคนไทยทั้งประเทศ ซึ่งเราไม่จำเป็นต้องยืนยันตัวตนด้วยเอกสารต่าง ๆ อีกต่อไป เราอาจใช้วิธียืนยันตัวตนด้วยการสแกนลายนิ้วมือหรือม่านตาก็ได้ในอนาคต

ถ้าสนใจในควอนตัมคอมพิวเตอร์ จะต้องเรียนอะไรบ้าง?

     จริง ๆ แล้วคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นสามารถใช้ได้หลายสายอาชีพ ทั้งวิศวกรคอมพิวเตอร์ ที่ต้องออกแบบตัวเครื่องคอมพิวเตอร์ควอนตัมและโปรแกรมที่ใช้ร่วมกัน หรือจะเป็นนักวิเคราะห์ข้อมูล หรือนักการตลาด ที่รวบรวมข้อมูลของกลุ่มเป้าหมายที่มีอยู่จำนวนมากและต้องวิเคราะห์และแปลผลข้อมูล ออกมาโดยเร็ว เพื่อสร้างความได้เปรียบทางการตลาด สามารถวิเคราะห์พฤติกรรมของผู้บริโภคได้ว่า ในแต่ละจังหวะของชีวิตประจำวันนั้นต้องการสินค้าหรือบริการประเภทใด หรือจะเป็นด้านการแพทย์ ที่ต้องเก็บประวัติการรักษาของคนไข้ที่มีปริมาณข้อมูลมหาศาลแล้วมาวิเคราะห์หาสาเหตุของโรครวมไปถึงวิธีการรักษาในเวลาอันรวดเร็ว และอีกหลาย ๆ อาชีพที่ไม่ได้กล่าวมา ซึ่งถ้าเราจะต้องศึกษาเทคโนโลยีควอนตัม ได้อย่างเข้าใจ จำต้องมีพื้นฐานวิชาต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง เช่น วิชาวิทยาการคำนวณ ที่ต้องเรียนรู้ตั้งแต่ แนวคิดเชิงคำนวณ (การจัดลำดับการคิดอย่างเป็นระบบ) เพื่อปูทางในการเรียนรู้การเขียนโปรแกรมที่ซับซ้อน ซึ่งต้องใช้วิชาคณิตศาสตร์เป็นฐานในการใช้คำนวณสูตรต่าง ๆ ลำดับต่อมาคือวิชาวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะ วิชาฟิสิกส์ (เน้นฟิสิกส์ประยุกต์ หรือฟิสิกส์ควอนตัม) เพื่อให้เข้าใจถึงทฤษฎีควอนตัมและสามารถ นำไปประยุกต์ใช้ได้มากขึ้น เพิ่มเติมอีกหนึ่งวิชาก็คือวิชาภาษาอังกฤษ เพราะภาษาคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่เขียน เป็นภาษาอังกฤษ แถมบทความงานวิจัยด้านควอนตัมหลายชิ้นถูกตีพิมพ์เป็นภาษาอังกฤษ ฉะนั้น ถ้าสนใจในด้านเทคโนโลยีควอนตัมจะต้องศึกษาวิชาพื้นฐานเหล่านี้อย่างจริงจังและลึกซึ้ง ซึ่งปัจจุบันในหลายมหาวิทยาลัยก็เริ่มมีเปิดสอนวิชาที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีควอนตัมกันแล้ว โดยคณะที่เปิดสอนคือคณะวิทยาศาสตร์และคณะวิศวกรรมศาสตร์เป็นหลัก

     ยังมีประโยชน์อีกหลายต่อหลายอย่างของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ไม่ได้กล่าวถึง จึงอยากเชิญชวนผู้อ่านช่วยกันคิดและลองเสนอความคิดเห็นกันหน่อยว่าเทคโนโลยีควอนตัมหนีมันน่าจะเอาไปใช้ประโยชน์อะไรได้อีกบ้างไม่แน่ ไอเดียที่เสนอมาอาจจะมีโอกาสใช้ได้จริงในอนาคตอันใกล้ ก็เป็นได้

เรียบเรียงโดย : sangkayana

อ้างอิง

 

Share

Authors

Authors

RELATED POSTS