ทฤษฎีเกี่ยวกับ Quantum Entanglement ที่ถูกเสนอขึ้นเมื่อกว่า 20 ปีก่อน ได้รับการพิสูจน์ผ่านการทดลองจริงเป็นครั้งสำคัญ พร้อมเปิดแนวทางใหม่สำหรับการสร้างการเชื่อมโยงเชิงควอนตัมที่มีเสถียรภาพระหว่าง Quantum Bit หรือ Qubit ที่อยู่ห่างกัน โดยไม่จำเป็นต้องพึ่งพาการควบคุมและการตรวจวัดอย่างต่อเนื่อง
- ทำไม Quantum Entanglement จึงสำคัญ
- วิธีแบบเดิมต้องควบคุมระบบตลอดเวลา
- ใช้ “Quantum Bath” เชื่อม Qubit ที่อยู่ห่างกัน
- การทดลองแยก Qubit ด้วยสายยาว 50 เซนติเมตร
- Entanglement ที่เสถียรและพร้อมใช้งาน
- นักวิจัยตรวจสอบได้ว่า Qubit เกิด Entanglement จริง
- มีศักยภาพสำหรับ Hybrid Quantum System
- ประสิทธิภาพปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 10%
- เส้นทางสู่ Quantum Network ขนาดใหญ่
นักฟิสิกส์จาก Institute of Science and Technology Austria หรือ ISTA ร่วมกับนักวิจัยจาก Technical University of Munich ประเทศเยอรมนี สาธิตวิธีสร้าง Distributed Quantum Entanglement ที่สามารถทำงานได้โดยอัตโนมัติเต็มรูปแบบ ผ่านสิ่งที่นักวิจัยเรียกว่า “Quantum Bath” ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคแสงที่มีความสัมพันธ์กัน
การทดลองนี้เป็น Proof-of-Concept ของแนวคิดที่อาจมีความสำคัญอย่างมากเมื่อ Quantum Computer พัฒนาไปสู่สถาปัตยกรรมขนาดใหญ่แบบ Modular เพราะ Quantum Processor ในอนาคตอาจต้องสร้าง Entanglement ที่เชื่อถือได้ระหว่างโมดูลที่อยู่แยกจากกัน
งานวิจัยได้รับการเผยแพร่ในวารสาร Physical Review X ภายใต้ชื่อ “Distributing stationary qubit entanglement through a non-local squeezed reservoir”
ทำไม Quantum Entanglement จึงสำคัญ
Quantum Entanglement คือปรากฏการณ์ที่คุณสมบัติของอนุภาคควอนตัมเกิดความสัมพันธ์กันในรูปแบบที่ฟิสิกส์แบบดั้งเดิมไม่สามารถอธิบายได้
Albert Einstein เคยเรียกปรากฏการณ์นี้อย่างโด่งดังว่า “spooky action at a distance”
อ่านเพิ่มเติม
Qubit หรือ Quantum Bit เป็นหน่วยข้อมูลพื้นฐานของ Quantum Computer แตกต่างจาก Bit ของคอมพิวเตอร์ทั่วไปที่มีค่าเป็น 0 หรือ 1 เพราะ Qubit สามารถอยู่ในสถานะ Quantum Superposition ที่เกี่ยวข้องกับทั้งสองสถานะพร้อมกันได้
Entanglement ทำให้ Qubit หลายตัวสามารถแบ่งปัน Quantum Correlation ระหว่างกัน จึงถือเป็นทรัพยากรพื้นฐานสำหรับ Quantum Computing, Quantum Communication และเทคโนโลยีควอนตัมประเภทอื่น
อย่างไรก็ตาม การรักษา Entanglement ให้อยู่ในสภาพที่สามารถนำไปใช้งานจริงได้ยังเป็นเรื่องยาก เพราะระบบควอนตัมมีความไวอย่างมากต่อสิ่งรบกวนจากสภาพแวดล้อม
วิธีแบบเดิมต้องควบคุมระบบตลอดเวลา
วิธีสร้าง Distributed Entanglement ที่มีอยู่ในปัจจุบันมักต้องอาศัยกระบวนการควบคุมเชิงรุก
วิธีหนึ่งคือการส่ง Photon หนึ่งตัวที่ถูกควบคุมระหว่าง Qubit สองตัว
อีกแนวทางหนึ่งคือให้ Qubit แต่ละตัวปล่อย Photon ออกมา ก่อนนำ Photon เหล่านั้นเข้าสู่กระบวนการตรวจวัดเพื่อสร้างความสัมพันธ์
วิธีเหล่านี้สามารถสร้าง Entanglement ได้ แต่ต้องอาศัยการควบคุมและการตรวจวัดซ้ำๆ และไม่ได้ประสบความสำเร็จทุกครั้ง
นักวิจัยจึงต้องการพัฒนาระบบที่สามารถรักษา Entanglement ที่พร้อมใช้งานได้โดยอัตโนมัติ
ใช้ “Quantum Bath” เชื่อม Qubit ที่อยู่ห่างกัน
การทดลองใหม่นี้ใช้ Reservoir หรือ “Quantum Bath” ซึ่งประกอบด้วย Microwave Photon ที่มีความสัมพันธ์กัน
แทนที่จะต้องควบคุม Qubit แต่ละตัวซ้ำๆ นักวิจัยให้ Qubit ทั้งสองสัมผัสกับคลื่น Microwave พลังงานต่ำที่มีความสัมพันธ์กัน
การปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมควอนตัมที่ถูกออกแบบขึ้นนี้จะผลักดันให้ Qubit ที่แยกออกจากกันเข้าสู่สถานะ Entangled และช่วยรักษาสถานะดังกล่าวอย่างต่อเนื่อง
Alejandro Andrés-Juanes นักฟิสิกส์จาก ISTA และผู้เขียนหลักของงานวิจัย อธิบายว่าทีมต้องการแก้ปัญหาความแตกต่างระหว่าง Entanglement ที่สร้างได้ง่ายกับ Entanglement ที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้จริง
เมื่อสามารถรักษาสถานะ Entangled จากระยะไกล ระบบจึงทำงานได้แบบอัตโนมัติ โดยไม่ต้องอาศัย Active Control หรือ Measurement อย่างต่อเนื่อง
การทดลองแยก Qubit ด้วยสายยาว 50 เซนติเมตร
ในการทดลอง Proof-of-Concept ครั้งนี้ Qubit ถูกแยกจากแหล่งกำเนิดผ่านสายเคเบิลประมาณ 50 เซนติเมตร หรือประมาณ 20 นิ้ว
อย่างไรก็ตาม หลักการพื้นฐานของระบบไม่ได้ถูกจำกัดอยู่ที่ระยะทางดังกล่าว
นักวิจัยระบุว่าแนวทางนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับระยะทางที่ไกลกว่านั้นได้ ซึ่งเป็นคุณสมบัติสำคัญสำหรับ Distributed Quantum Systems ในอนาคต
แหล่งกำเนิด Correlated Photon เพียงแหล่งเดียวอาจถูกนำมาใช้สร้าง Entangled Pair ได้หลายคู่
ความสามารถดังกล่าวอาจมีความสำคัญเมื่อ Quantum Processor ต้องเชื่อมต่อโมดูลประมวลผลแยกกันในจำนวนมากขึ้น
Entanglement ที่เสถียรและพร้อมใช้งาน
คุณสมบัติสำคัญอีกประการของการทดลองคือความสามารถในการสร้าง Stationary Entanglement
แทนที่จะสร้างสถานะ Entangled ที่เกิดขึ้นเพียงชั่วคราวและต้องรีบนำไปใช้งาน สภาพแวดล้อมควอนตัมที่ถูกออกแบบขึ้นจะผลักดัน Qubit กลับเข้าสู่สถานะที่ต้องการอย่างต่อเนื่อง
Johannes Fink นักฟิสิกส์จาก ISTA และผู้เขียนอาวุโสของงานวิจัย ระบุว่าสถานะ Entangled ของ Qubit สามารถถูกทำให้เสถียรได้แม้เกินกว่า “อายุ” ของ Qubit เอง และสามารถคงอยู่ในฐานะทรัพยากรสำหรับกระบวนการ Quantum Processing ขั้นต่อไป
ความสามารถดังกล่าวอาจทำให้ Entanglement กลายเป็นทรัพยากรด้านการประมวลผลที่พร้อมใช้งานได้จริงมากขึ้น
นักวิจัยตรวจสอบได้ว่า Qubit เกิด Entanglement จริง
ทีมวิจัยยังต้องยืนยันว่า Qubit ทั้งสองกำลังแบ่งปันสถานะควอนตัมตามที่ต้องการจริง
นักวิจัยใช้ Microwave Pulse ที่มีระยะเวลาสั้นมากเพียงระดับหนึ่งในพันล้านวินาทีเพื่อตรวจวัดสถานะของ Qubit
การตรวจวัดเป็นหนึ่งในปัญหาพื้นฐานของ Quantum Computing เพราะเมื่อทำการวัด Qubit สถานะ Superposition จะยุบตัวลงเหลือสถานะที่แน่นอน
ปัญหานี้มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับ Decoherence ซึ่งเป็นหนึ่งในอุปสรรคสำคัญที่สุดของ Quantum Computing
เมื่อ Qubit สูญเสียพฤติกรรมแบบควอนตัม มันก็จะสูญเสียคุณสมบัติด้านการประมวลผลที่ทำให้ Quantum Processor มีศักยภาพเหนือระบบแบบดั้งเดิม
มีศักยภาพสำหรับ Hybrid Quantum System
เทคนิคนี้อาจนำไปใช้ได้มากกว่าระบบที่ประกอบด้วย Qubit ประเภทเดียวกัน
นักวิจัยเสนอว่า Photon ที่ทำงานด้วยความถี่แตกต่างกัน เช่น Optical Frequency และ Microwave Frequency อาจสามารถใช้รักษา Entanglement ระหว่าง Qubit ที่ทำงานบนระดับพลังงานแตกต่างกันอย่างมาก
ความสามารถนี้อาจช่วยสนับสนุน Hybrid Quantum System ที่รวม Quantum Hardware หลายประเภทเข้าด้วยกัน
แนวทางดังกล่าวอาจมีความสำคัญมากขึ้น เมื่ออุตสาหกรรมเริ่มสำรวจสถาปัตยกรรมแบบ Modular ซึ่งเชื่อม Quantum Component เฉพาะทางหลายประเภทเข้าด้วยกัน แทนที่จะรวมทุกฟังก์ชันไว้ใน Processor เพียงตัวเดียว
ประสิทธิภาพปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 10%
การทดลองยังคงเป็นเพียง Proof-of-Concept และมีข้อจำกัดสำคัญ
Andrés-Juanes ระบุว่าวิธีดังกล่าวสามารถถ่ายโอน Entanglement ที่มีอยู่ใน Quantum Bath ได้ประมาณ 10%
ดังนั้นวิธีที่ใช้ Active Control กับสถานะของ Qubit ที่มีอยู่ก่อนหน้านี้จึงยังมีประสิทธิภาพสูงกว่า
อย่างไรก็ตาม นักวิจัยมองระบบนี้ในฐานะ Framework ที่สามารถขยายขนาดได้ มากกว่าจะเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาเสร็จสมบูรณ์แล้ว
ในอนาคตระบบอาจได้รับการปรับปรุงให้สามารถกระจาย Entanglement ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และเชื่อม Qubit ที่อยู่ห่างกันจำนวนมากกว่าเดิม
เส้นทางสู่ Quantum Network ขนาดใหญ่
ความสำคัญของการทดลองส่วนหนึ่งอยู่ที่ความสามารถในการ Scale ระบบ
Quantum Computer ในอนาคตอาจไม่ได้ประกอบด้วย Processor ขนาดมหึมาเพียงตัวเดียว แต่อาจใช้ Quantum Module ขนาดเล็กหลายชุดเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเพื่อทำงานเป็นระบบขนาดใหญ่
Distributed Entanglement จะเป็นองค์ประกอบสำคัญของสถาปัตยกรรมลักษณะนี้ เพราะแต่ละโมดูลจำเป็นต้องมี Quantum Correlation เพื่อแลกเปลี่ยนและประมวลผล Quantum Information ระหว่างกัน
นักวิจัยระบุว่าวิธีที่ค่อนข้างเรียบง่ายนี้อาจสามารถขยายไปสู่การ Synchronize Qubit ที่อยู่ห่างกันหลายตัว และกลายเป็นอีกหนึ่งองค์ประกอบพื้นฐานสำหรับ Quantum Processor และ Quantum Network ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นในอนาคต
