Stanford จับภาพ "การกระโดดควอนตัมของเสียง" ได้สำเร็จเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์

ทีมนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Stanford ประกาศความสำเร็จครั้งประวัติศาสตร์: การสังเกต "การกระโดดควอนตัม" (quantum jump) ของเสียงแบบเรียลไทม์ได้เป็นครั้งแรก — ปรากฏการณ์ที่นักฟิสิกส์ทำนายไว้ตั้งแต่ต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 แต่ไม่เคยมีใครจับภาพได้ในหน่วยเสียงมาก่อน ผลการวิจัยตีพิมพ์ในวารสาร Science ฉบับวันที่ 17 กันยายน 2569 และได้รับความสนใจจากสื่อวิทยาศาสตร์นานาชาติอย่างกว้างขวางในสัปดาห์ที่ผ่านมา

การกระโดดควอนตัมคืออะไร ทำไมถึงสำคัญ

ในโลกควอนตัม พลังงานไม่ได้เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องแบบที่เราคุ้นเคยในชีวิตประจำวัน แต่เปลี่ยน "กระโดด" จากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งทันที โดยไม่ผ่านค่าระหว่างกลางใด ๆ เลย แนวคิดนี้ถูกเสนอครั้งแรกในช่วงต้นทศวรรษ 1900 และกลายเป็นหนึ่งในเสาหลักของกลศาสตร์ควอนตัม แต่การพิสูจน์ด้วยการทดลองจริงต้องรอจนถึงปี 1986 ที่นักฟิสิกส์เห็นการกระโดดควอนตัมในไอออนที่ถูกกักไว้ในกับดักแม่เหล็กไฟฟ้า และปี 2007 ที่เห็นในโฟตอน (อนุภาคของแสง)

สิ่งที่ยังไม่มีใครเคยเห็นมาก่อนคือการกระโดดควอนตัมของ "โฟนอน" (phonon) — หน่วยพลังงานที่เล็กที่สุดของเสียงหรือการสั่นสะเทือน ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนไหวประสานกันของอะตอมจำนวนมากในวัสดุ เทียบได้กับที่โฟตอนเป็นหน่วยเล็กที่สุดของแสง ทีมของ Stanford ปิดช่องว่างสุดท้ายนี้ได้สำเร็จ

ส้อมเสียงจิ๋วระดับควอนตัม — หัวใจของการทดลอง

ภาพประกอบ: ส้อมเสียง — หลักการเดียวกับตัวสั่นพ้องจิ๋วในการทดลองนี้ — ภาพโดย Édouard Hue (User:EdouardHue), CC BY-SA 3.0 (Wikimedia Commons)

ทีมวิจัยนำโดย Amir Safavi-Naeini รองศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ประยุกต์ แห่งคณะมนุษยศาสตร์และวิทยาศาสตร์ Stanford ร่วมกับผู้เขียนหลักร่วม Takuma Makihara (บัณฑิตปริญญาเอกที่เพิ่งจบจาก Stanford) และ Erik Szakiel (นักศึกษาปริญญาเอกปัจจุบัน) ออกแบบอุปกรณ์ที่เป็น ตัวสั่นพ้องเชิงกลจิ๋วบนชิป (chip-fabricated mechanical resonator) มีลักษณะเหมือน "ส้อมเสียงระดับไมโครสโคปิก"

ความพิเศษของอุปกรณ์นี้คือมันสั่นสะเทือนต่อเนื่องได้นานถึง 2 มิลลิวินาที ก่อนพลังงานจะสลายไป ฟังดูสั้นมาก แต่ถ้าเทียบสัดส่วนกับส้อมเสียงจริงในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์นี้เทียบเท่ากับส้อมเสียงที่สั่นค้างได้นาน หลายชั่วโมง ซึ่งเป็นเงื่อนไขสำคัญที่ทำให้ทีมสามารถวัดสถานะของมันได้ซ้ำ ๆ หลายร้อยครั้งก่อนที่การสั่นจะหมดไป

Takuma Makihara อธิบายความท้าทายของการสร้างอุปกรณ์นี้ว่า "เราต้องพัฒนากระบวนการใหม่อย่างต่อเนื่อง เพื่อสร้างวัตถุที่สั่นสะเทือนได้ยาวนานเป็นพิเศษชิ้นนี้ แล้วนำมาผนวกเข้ากับคิวบิต (qubit) ซึ่งเป็นตัวตรวจจับทางไฟฟ้าของเรา โดยไม่ทำลายทั้งสองระบบ"

วิธีจับภาพการกระโดด: จับคู่ตัวสั่นพ้องกับคิวบิตตัวนำยิ่งยวด

ทีมวิจัยเชื่อมต่อตัวสั่นพ้องจิ๋วนี้เข้ากับ คิวบิตตัวนำยิ่งยวด (superconducting qubit) ซึ่งเป็นวงจรไฟฟ้าที่เก็บข้อมูลระดับควอนตัมได้ คิวบิตนี้ทำหน้าที่เป็นเครื่องตรวจวัดที่คอยตรวจสอบซ้ำ ๆ ว่าพลังงานการสั่นของตัวสั่นพ้องอยู่ในสถานะ "หนึ่งโฟนอน" หรือ "ศูนย์โฟนอน" ในทุกช่วงเวลาของการสั่นสะเทือน 2 มิลลิวินาทีนั้น ทีมเก็บข้อมูลการวัดหลายร้อยครั้งเพื่อระบุจุดแน่ชัดที่พลังงานกระโดดจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งแบบทันทีทันใด — ไม่ใช่ค่อย ๆ ลดลง

การทดลองระดับนี้ต้องการอุณหภูมิที่เย็นจัดใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ เพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนทางความร้อนที่จะบดบังปรากฏการณ์ควอนตัมอันละเอียดอ่อนนี้ ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ควอนตัมทั่วโลกจึงพึ่งพา เครื่องทำความเย็นแบบ dilution refrigerator ที่สามารถลดอุณหภูมิลงเหลือเพียงไม่กี่มิลลิเคลวินเหนือศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งเย็นกว่าอวกาศห้วงลึกเสียอีก

ทำไมเรื่องนี้ถึงสำคัญ: จากทฤษฎีสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัม

ภาพประกอบ: เครื่องทำความเย็นแบบ dilution refrigerator ชนิดที่ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ควอนตัมทั่วโลกใช้ — ภาพโดย OJB Quantum, CC BY 4.0 (Wikimedia Commons)

Safavi-Naeini สรุปความสำคัญของงานวิจัยนี้ว่า "สิ่งที่งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นจะทำให้เราเดินหน้าพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมใหม่ ๆ ด้วยเสียงได้" และเสริมว่า "เราได้เห็นแล้วว่าวัตถุที่สั่นสะเทือนสามารถแสดงพฤติกรรมเชิงควอนตัมได้ ซึ่งเป็นเงื่อนไขเบื้องต้นสำหรับการดำเนินการหลายอย่างที่จำเป็นต่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมและการตรวจวัดความแม่นยำสูง"

การตรวจจับ "จุดกระโดด" ของพลังงานแบบเรียลไทม์นี้มีความหมายในทางปฏิบัติที่ชัดเจน: คอมพิวเตอร์ควอนตัมในปัจจุบันเผชิญปัญหาข้อผิดพลาด (error) จากการรบกวนของสิ่งแวดล้อมอยู่ตลอดเวลา และการตรวจจับได้ว่า "เกิดการกระโดดขึ้นเมื่อไหร่" คือกุญแจสำคัญของ การแก้ไขข้อผิดพลาดเชิงควอนตัม (quantum error correction) — เทคนิคที่จำเป็นก่อนคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะใช้งานได้จริงในระดับอุตสาหกรรม

Erik Szakiel เสริมว่า "สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าเราสามารถควบคุมเสียงได้อย่างละเอียดแม่นยำมาก ซึ่งอาจหมายความว่าอุปกรณ์ที่ใช้เสียงเป็นเทคโนโลยีพื้นฐานจะดีขึ้นได้อีกมาก"

ก้าวต่อไป: จากคอมพิวเตอร์ควอนตัมสู่การตรวจจับโปรตีนในเซลล์

ทีม Stanford วางแผนต่อยอดงานวิจัยนี้ไปหลายทิศทาง เป้าหมายแรกคือการนำเทคนิคนี้ไปใช้ใน การแก้ไขข้อผิดพลาดของคอมพิวเตอร์ควอนตัม โดยตรง อีกทิศทางหนึ่งที่น่าสนใจไม่แพ้กันคือความร่วมมือกับ Michael Roukes นักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (Caltech) เพื่อพัฒนาแพลตฟอร์มนี้ให้เป็นเซนเซอร์ตรวจจับโปรตีนภายในเซลล์ที่มีความไวสูงเป็นพิเศษ อาศัยหลักการเดียวกันในการวัดแรง มวล และความเร่งระดับจิ๋ว

นอกจากนี้ ทีมวิจัยยังชี้ว่าความสามารถในการควบคุมเสียงระดับควอนตัมได้ละเอียดขนาดนี้ อาจนำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้เสียงเป็นเทคโนโลยีหลัก เช่น ตัวกรองสัญญาณในสมาร์ทโฟน ให้มีประสิทธิภาพดีขึ้นอีกในอนาคต

ความหมายต่อไทย: ยุคที่เทคโนโลยีควอนตัมและ AI ก้าวกระโดดพร้อมกัน

ภาพประกอบ: ชิปวงจรระดับควอนตัมจิ๋ว — ภาพโดย OJB Quantum, CC BY 4.0 (Wikimedia Commons)

แม้งานวิจัยนี้จะยังอยู่ในขั้นห้องปฏิบัติการ แต่มันเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่เทคโนโลยีขั้นสูงหลายแขนงกำลังพัฒนาแบบก้าวกระโดดพร้อมกันทั่วโลก ไทยเองก็มีการลงทุนด้านศูนย์ข้อมูลและปัญญาประดิษฐ์มูลค่ามหาศาลไหลเข้าประเทศต่อเนื่อง (อ่านเพิ่มเติม: ดาวเทียม TSC-1 ฝีมือคนไทย) ซึ่งอุตสาหกรรมเหล่านี้ล้วนต้องอาศัยความก้าวหน้าพื้นฐานด้านฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์แบบนี้เป็นรากฐานในระยะยาว

งานวิจัยนี้ยังตอกย้ำแนวโน้มที่เห็นชัดตลอดปี 2569 ว่าฟิสิกส์ควอนตัมกำลังเปลี่ยนจาก "ทฤษฎีในตำรา" มาเป็นเทคโนโลยีที่จับต้องได้ทีละขั้น เช่นเดียวกับที่ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยออตตาวาเคยสร้างคู่โฟตอนพันกันเชิงควอนตัมจากแสงแดดได้สำเร็จเมื่อเดือนก่อน (อ่านเพิ่มเติม: นักวิจัยสร้างคู่โฟตอนพันกันควอนตัมจากแสงแดด) สะท้อนว่าการแข่งขันพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมของโลกกำลังเข้มข้นขึ้นเรื่อย ๆ ในทุกมุมของวงการฟิสิกส์