นักวิจัยสร้าง 'คู่โฟตอนพันกันควอนตัม' จากแสงแดดได้สำเร็จเป็นครั้งแรก

ทีมนักวิจัยนานาชาติจากมหาวิทยาลัยออตตาวา (University of Ottawa) ในแคนาดา และสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อวิทยาศาสตร์แห่งแสง (Max Planck Institute for the Science of Light) ในเยอรมนี ประกาศความสำเร็จครั้งสำคัญ: การสร้างคู่โฟตอนที่ "พันกันเชิงควอนตัม" (quantum entanglement) จากแสงแดดธรรมชาติโดยตรงเป็นครั้งแรก แทนที่จะต้องพึ่งเลเซอร์อย่างที่วงการฟิสิกส์ควอนตัมทำกันมาตลอดหลายสิบปี ผลการทดลองตีพิมพ์ในวารสาร Optica เมื่อวันที่ 6 สิงหาคม 2569 และได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากสื่อวิทยาศาสตร์นานาชาติ

การพันกันเชิงควอนตัมคืออะไร ทำไมถึงสำคัญ

การพันกันเชิงควอนตัมเป็นปรากฏการณ์ที่ไอน์สไตน์เคยเรียกว่า "ปฏิบัติการลี้ลับในระยะไกล" (spooky action at a distance) — เมื่ออนุภาคสองตัว เช่น โฟตอน (อนุภาคของแสง) ถูกทำให้มีสถานะเชื่อมโยงกันแบบพิเศษ การวัดคุณสมบัติของอนุภาคหนึ่งจะบอกผลลัพธ์ของอีกอนุภาคได้ทันที แม้จะอยู่ห่างกันคนละที่ ปรากฏการณ์นี้เป็นรากฐานของเทคโนโลยีควอนตัมยุคใหม่ทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นการเข้ารหัสลับที่ปลอดภัยระดับสูงสุด (quantum key distribution) การวัดที่แม่นยำเกินขีดจำกัดของฟิสิกส์คลาสสิก และการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

โดยปกติ นักวิทยาศาสตร์สร้างคู่โฟตอนพันกันด้วยกระบวนการที่เรียกว่า spontaneous parametric down-conversion (SPDC) — ยิงแสงเลเซอร์ (ซึ่งมีความเป็นระเบียบสูงทั้งในเชิงพื้นที่และเวลา หรือที่เรียกว่า coherent) ผ่านผลึกที่ไม่เป็นเชิงเส้น (nonlinear crystal) ทำให้โฟตอนหนึ่งตัวแตกตัวเป็นโฟตอนคู่ที่พันกัน วิธีนี้ใช้กันมาตลอด เพราะเชื่อกันว่าต้องใช้แสงที่มีความเป็นระเบียบสูงเท่านั้นจึงจะทำให้เกิดการพันกันได้อย่างมีคุณภาพเพียงพอ

จากแสงแดดกระจัดกระจาย สู่คู่โฟตอนพันกัน

จุดที่ทำให้งานวิจัยนี้พลิกความเข้าใจเดิมคือ ทีมของ Robert Boyd นักฟิสิกส์ผู้ดำรงตำแหน่ง Canada Excellence Research Chair ด้าน Quantum Nonlinear Optics ที่มหาวิทยาลัยออตตาวา ได้พัฒนาแนวคิดทางทฤษฎีที่ชี้ว่า แสงที่ไม่เป็นระเบียบ (incoherent) อย่างแสงแดด ก็สามารถผลิตการพันกันเชิงควอนตัมได้เช่นกัน ซึ่งขัดกับสมมติฐานเดิมของวงการที่คิดว่าเป็นไปไม่ได้

ภาพประกอบ: ตัวอย่างอุปกรณ์รวมแสงแดดด้วยเลนส์เฟรสเนล — หลักการเดียวกับตัวรวมแสงที่ทีมมักซ์พลังค์พัฒนาขึ้นสำหรับการทดลองนี้ — ภาพโดย SuSanA Secretariat, CC BY 2.0 (Wikimedia Commons)

Cheng Li นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยออตตาวาและผู้เขียนหลักของงานวิจัย เล่าถึงความท้าทายในการโน้มน้าววงการว่า "นักวิจัยชั้นนำระดับโลกในสาขานี้บางคนถึงกับตั้งคำถามว่า จะสามารถตรวจจับโฟตอนจากกระบวนการทางแสงที่ไม่เป็นเชิงเส้นซึ่งขับเคลื่อนด้วยแสงแดดได้เลยหรือไม่ ไม่ต้องพูดถึงโฟตอนที่พันกัน" คำพูดนี้สะท้อนว่าก่อนหน้านี้แทบไม่มีใครเชื่อว่าแนวคิดนี้จะทำได้จริงในทางปฏิบัติ

หัวใจสำคัญที่ทำให้แนวคิดนี้กลายเป็นจริงได้ คือ ตัวรวมแสงแดดทรงกรวยที่ทำจากแก้วทั้งชิ้น (all-glass solar concentrator) ซึ่งพัฒนาโดยทีมของ Hanieh Fattahi แห่งสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อวิทยาศาสตร์แห่งแสง เมืองแอร์ลังเงิน ประเทศเยอรมนี อุปกรณ์นี้ใช้เลนส์เฟรสเนล (Fresnel lens) ขนาดพอ ๆ กับหน้าต่างบ้านทั่วไป รวมแสงแดดให้โฟกัสลงไปยังเส้นใยแก้วนำแสงที่มีขนาดเล็กเพียงเท่าเส้นผมมนุษย์ ก่อนจะยิงลำแสงที่เข้มข้นนี้เข้าสู่ผลึกที่ไม่เป็นเชิงเส้นขนาดเพียงมิลลิเมตรเดียว ทีมวิจัยทำการทดลองกลางแจ้งจริง โดยรวบรวมแสงแดดจากพื้นที่ราว 1.4 ตารางเมตร เพื่อป้อนเข้าสู่ระบบ

ผลลัพธ์: แม่นยำ 94% และผ่านการพิสูจน์ด้วยอสมการเบลล์

ผลการทดลองที่ได้สร้างความประหลาดใจให้วงการไม่น้อย: คู่โฟตอนที่ผลิตจากแสงแดดมีความแม่นยำ (fidelity) สูงถึงราว 94% เมื่อเทียบกับสถานะพันกันแบบสมบูรณ์ในทางทฤษฎี และที่สำคัญกว่านั้น ผลการวัดยัง ละเมิดอสมการเบลล์ (Bell's inequality) ได้สำเร็จ ซึ่งเป็นการทดสอบมาตรฐานทางฟิสิกส์ที่ใช้แยกแยะว่าปรากฏการณ์ที่สังเกตได้เป็น "การพันกันเชิงควอนตัมจริง" หรือเป็นเพียงความสัมพันธ์แบบฟิสิกส์คลาสสิกทั่วไป การละเมิดอสมการนี้จึงเป็นหลักฐานยืนยันว่า สิ่งที่ทีมวิจัยสร้างขึ้นคือการพันกันเชิงควอนตัมของแท้ ไม่ใช่เพียงความบังเอิญทางสถิติ

ภาพประกอบ: แผนภาพหลักการทดสอบอสมการเบลล์ (Bell test) ซึ่งเป็นวิธีมาตรฐานที่นักฟิสิกส์ใช้พิสูจน์ว่าอนุภาคสองตัวพันกันเชิงควอนตัมจริง ไม่ใช่เพียงความสัมพันธ์แบบคลาสสิก — ภาพจาก Wikimedia Commons

เมื่อเทียบกับวิธีดั้งเดิมที่ใช้เลเซอร์ นักวิจัยระบุว่าคุณภาพของคู่โฟตอนพันกันจากแสงแดดอยู่ในระดับใกล้เคียงกัน หากคิดคำนวณโดยปรับตามความกว้างของแถบความถี่ (bandwidth) ที่ต่างกัน — เพราะแสงแดดโดยธรรมชาติมีสเปกตรัมกว้างกว่าและไม่เป็นระเบียบเท่าแสงเลเซอร์มาก ยิ่งตอกย้ำว่าความสำเร็จนี้ไม่ใช่เรื่องเล็ก

ทำไมเรื่องนี้ถึงสำคัญต่ออนาคตเทคโนโลยีควอนตัม

Cheng Li อธิบายความสำคัญของงานวิจัยว่า "การพันกันเชิงควอนตัมเป็นหัวใจสำคัญของการใช้งานหลายด้าน เช่น การสื่อสารที่ปลอดภัย การตรวจวัดที่แม่นยำสูง และการประมวลผลประสิทธิภาพสูง" และเสริมว่า "งานวิจัยของเราแสดงให้เห็นว่าแหล่งแสงธรรมชาติที่มีอยู่มากมายสามารถนำมาใช้สร้างการพันกันเชิงควอนตัมได้ เปิดความเป็นไปได้ของเทคโนโลยีควอนตัมที่ประหยัดพลังงานและเข้าถึงได้ง่ายขึ้น"

ข้อได้เปรียบสำคัญของแนวทางนี้คือการตัดขั้นตอนการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงเลเซอร์ออกไปทั้งหมด ซึ่งปกติเป็นส่วนที่กินพลังงานมากและต้องใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อน เมื่อไม่ต้องพึ่งเลเซอร์ อุปกรณ์ผลิตแสงควอนตัมก็มีโอกาสมีขนาดเล็กลง เบาลง และราคาถูกลง ซึ่งเหมาะกับการใช้งานในพื้นที่ที่มีทรัพยากรจำกัด เช่น ดาวเทียม ยานอวกาศสำรวจดาวเคราะห์ หรือแม้แต่พื้นที่ห่างไกลอย่างขั้วโลก

ภาพ: สถาบันมักซ์พลังค์เพื่อวิทยาศาสตร์แห่งแสง เมืองแอร์ลังเงิน เยอรมนี ที่ตั้งของทีมวิจัยผู้พัฒนาตัวรวมแสงแดดสำหรับการทดลองนี้ — ภาพจาก Wikimedia Commons

Cheng Li ยกตัวอย่างการใช้งานในอนาคตว่า "เทคโนโลยีนี้อาจทำให้ดาวเทียมสามารถสร้างกุญแจเข้ารหัสลับที่ปลอดภัย โดยใช้แสงแดดที่มีอยู่แล้วอย่างเหลือเฟือในอวกาศ ลดความจำเป็นที่ต้องพึ่งเลเซอร์บนตัวดาวเทียม" นั่นหมายความว่าดาวเทียมสื่อสารควอนตัมในอนาคตอาจไม่ต้องแบกอุปกรณ์เลเซอร์ที่หนักและกินไฟ แต่ใช้แผงรับแสงอาทิตย์ที่มีอยู่แล้วเป็นแหล่งกำเนิดคู่โฟตอนพันกันไปพร้อมกัน

ก้าวต่อไปของงานวิจัย

ทีมวิจัยระบุว่าเป้าหมายต่อไปคือการพัฒนาความสว่างและคุณภาพของการพันกันให้สูงขึ้นอีก เพื่อไปสู่ผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานได้จริงในภาคสนาม (field-deployable) นอกจากนี้ยังมีแผนขยายแนวคิดไปสู่กระบวนการทางแสงที่ไม่เป็นเชิงเส้นแบบอื่น เช่น four-wave mixing ซึ่งอาจเปิดทางให้เกิดแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมจากธรรมชาติในรูปแบบใหม่ ๆ เพิ่มเติม

ความหมายต่อไทย: ดาวเทียมและเศรษฐกิจดิจิทัลที่กำลังเติบโต

แม้งานวิจัยนี้จะยังอยู่ในขั้นห้องปฏิบัติการ แต่ทิศทางของเทคโนโลยีควอนตัมประหยัดพลังงานมีความเกี่ยวข้องกับไทยไม่น้อย ไทยเองกำลังพัฒนาดาวเทียมวิจัยฝีมือคนไทยอย่าง TSC-1 ที่มีกำหนดส่งขึ้นวงโคจรในปี 2027 (อ่านเพิ่มเติม: ดาวเทียม TSC-1 ฝีมือคนไทย) ควบคู่ไปกับการลงทุนด้านศูนย์ข้อมูลและปัญญาประดิษฐ์มูลค่ามหาศาลที่กำลังไหลเข้าประเทศ ซึ่งทั้งสองอุตสาหกรรมต่างต้องพึ่งพาความปลอดภัยทางไซเบอร์และการสื่อสารข้อมูลที่เชื่อถือได้เป็นพื้นฐานสำคัญ

เทคโนโลยีการเข้ารหัสลับเชิงควอนตัมที่ใช้พลังงานน้อยลงและต้นทุนถูกลง หากพัฒนาสำเร็จในระยะยาว อาจกลายเป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ประเทศกำลังพัฒนาด้านเทคโนโลยีอวกาศและดิจิทัลอย่างไทยสามารถเข้าถึงได้ง่ายขึ้นในอนาคต แม้ในวันนี้ยังเป็นเพียงงานวิจัยขั้นต้นที่ต้องใช้เวลาอีกหลายปีกว่าจะพัฒนาเป็นผลิตภัณฑ์ใช้งานจริง เช่นเดียวกับที่โมเดล AI ล่าสุดของ OpenAI ก็เพิ่งสร้างความฮือฮาในวงการวิทยาศาสตร์เมื่อต้นเดือนนี้ (อ่านเพิ่มเติม: OpenAI เปิดตัว Astra แก้โจทย์คณิตศาสตร์ค้างคาใจ) สะท้อนว่าปี 2569 เป็นปีที่เทคโนโลยีขั้นสูงหลายแขนงกำลังก้าวกระโดดพร้อมกัน