การศึกษาโมเลกุลและวัสดุด้วยวิธีการจำลองทางควอนตั้ม

          จะดีหรือไม่ถ้าใน ณปัจจุบันเราสามารถคำนวณและวิเคราะห์ข้อมูลอันเป็นทางวิทยาศาสตร์นั้นได้ไว รวดเร็ว และมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นโดยการนำหลักการที่ได้ศึกษาและค้นพบมาอย่างช้านาน ที่เรียกว่า ควอนตั้มฟิสิกส์(Quantum Physics) มาผนวกเข้ากันกับคอมพิวเตอร์ที่เราใช้ในปัจจุบัน ทำให้มีการวิเคราะห์และประมวลผลปัญหาต่างๆไม่ว่าจะเป็น การศึกษาวิจัย เศรษฐกิจ และ ธุรกิจในด้านต่างๆ และถ้าจะกล่าวอีกต่อไปว่า ในอนาคตอันใกล้นี้เราจะสามารถวิเคราะห์สสารทางเคมี หรือส่วนประกอบโครงสร้างทางเคมีของอาหารที่เราใช้ในการบริโภคนั้น ทำให้ได้มีประสิทธิภาพและรวดเร็ว และมีคุณค่าทางโภชนาการมากยิ่งขึ้น โดยการนำหลักการทาง ควอนตั้มฟิสิกส์แบบคลาสสิค(Quantum Physics Classical) มาผนวกเข้ากันกับองค์ความรู้วิชาทางเคมี ไม่ว่าจะเป็นการศึกษาโครงสร้างโมเลกุลขององค์ประกอบทางเคมีต่างๆ ทำให้ได้องค์ความรู้ใหม่ที่เกิดขึ้น ที่เรียกว่า Quantum Chemistry และยังอีกทั้งนำองค์ความรู้ที่ได้ศึกษาของควอนตั้มเคมีไปปรับใช้โดยการสร้างแบบจำลองและวิเคราะห์ทางควอนตั้มของโมเลกุลในสสารต่างๆก่อนที่จะนำสสารตัวนั้นไปทำการปฎิบัติการทดลองเผื่อให้ได้ความผิดพลาดจากการทดลองที่มีค่าน้อยมากๆ และ อีกทั้งยังช่วยประหยัดเวลาและชิ้นงานที่ได้นั้นมีประสิทธิผลมากยิ่งขึ้น ยกตัวอย่างเช่น การทดลองและศึกษาโมเลกุลและวัสดุด้วยหลักการสร้างแบบจำลองทางควอนตั้มที่จะได้กล่าวให้ฟังดังต่อไปนี้ ว่าจะเป็นอย่างไรกัน


          การศึกษาองค์ประกอบของโมเลกุลและวัสดุในยุคสมัยนี้ถูกค้นพบและนำมาประยุกต์ใช้ตั้งแต่ควอนตั้มคลาสิค ซึ่งควอนตั้มแบบดั้งเดิมนั้นจะเป็นการศึกษาอนุภาคและวัตถุที่มองไม่เห็นอาศัยจากการจินตภาพในการคาดคะเนและนำผลการทดลองที่ได้มาวิเคราะห์ซึ่งอาจจะยากและมีการวิเคราะห์ที่ผิดพลาดสูง แต่ในปัจจุบันได้นำวิธีการสร้างแบบจำลองทางควอนตั้มขึ้นมา เพื่อใช้ดูโครงสร้างโมเลกุลว่าเหมาะสม และสอดคล้องทางทฤษฎีหรือไม่ และจึงนำไปคำนวนต่อในทางทฤษฎีควอนตั้ม ซึ่งการศึกษาองค์ประกอบของโมเลกุลแลวัสดุด้วยวิธีการสร้างแบบจำลองทางควอนตั้มที่ได้กล่าวในบทนี้ เป็นเทคนิคที่ใหม่และแตกแขนงออกไปจากศาสตร์อื่นที่ได้ศึกษา Oleksandr Kyriienko นักฟิสิกส์จากUniversity of Exeter ได้กล่าวไว้ว่า เขาจะเป็นผู้ที่จะริเริ่มการศึกษาการสร้างแบบจำลองควอนตั้มในโมเลกุลและวัสดุซึ่งจะเป็นหนึ่งในศาสตร์ใหม่ในแขนงควอนตั้มที่เกี่ยวกับ การคำนวณทางควอนตั้ม(Quantum Computing)อีกด้วย


          การคำนวณทางควอนตั้ม หรือที่เรียกว่า  Quantum Computing นั้น เป็นหลักการที่ว่าด้วยเรื่องของการศึกษาองค์ประกอบของโมเลกุลและวัสดุในระดับสเกล นาโน หรือ ในระดับคิวบิต หรือในระดับสเกลวินาที ของควอนตั้มคอมพิวเตอร์ แต่ในทางอุดมคติของการวิเคราะห์ทางควอนตั้มคอมพิวเตอร์นั้นจะมีการคำนวนและคาดคะเนการป้องกันความผิดพลาดของควอนตั้มคอมพิวเตอร์จากการคำนวน (Fault-Tolerant quantum computer) หรือ เทคนิคทางการปรับค่าตัวแปร(Variational Technique)


          อีกทั้งยังมีหลักการใหม่ๆซึ่งสามารถนำมาใช้ในการวิเคราะห์ปัญหาทางโมเลกุลและวัสดุด้วยระเบียบวิธีทางวิวัฒนาการควอนตั้ม(Quantum Evolution)ซึ่งสามารถนำมาปรับใช้ในหลายๆระบบที่มีอยู่ได้อย่างดี และ เป็นวิธีที่การนำควอนตั้มสมัยใหม่มาใช้ในการวิเคราะห์ปัญหาในรูป การแข็งตัวของแลตทิชอะตอม และ อีกทั้งยังนำซอฟต์แวร์นั้นไปใช้กับในงานทางวิทยาศาสตร์วัสดุได้อีกด้วย จากการศึกษาการสร้างแบบจำลองทางควอนตั้มเพื่อศึกษาวัสดุสามารถนำไปต่อยอดศึกษาองค์ประกอบที่มีความสัมพันธ์กันในระบบอย่างหนาแน่น รวมไปถึง แบบจำลองของ เฟอร์มิ-ฮับบาร์ด ที่สามารถอธิบายถึงอุณหภูมิมากขึ้นที่อาจเกิดขึ้นในการนำแบบยิ่งยวดหรือSuperconductivity ซึ่งงานวิจัยชิ้นนี้ถูกนำไปตีพิมพ์ในวรสารnew Nature journal npj Quantum Information 


           Dr. Kyriienko หนึ่งในนักฟิสิกส์ของUniversity of Exeter ได้กล่าวไว้ว่า จนถึงตอนนี้เขาได้ทำการทดลองและรัน ควอนตัมไดนามิคที่จะสามารถวิเคราะห์องค์ประกอบในระดับชั้นสถานะพื้น (ground state) ซึ่งมีคำถามในต่อมาว่า และในทางตรงกันข้ามนั้นเราสามารถวิเคราะห์และศึกษาในระดับสถานะถูกกระตุ้น (Excited State)ได้ไหม และ สามารถทำการคิดค้นอัลกอริทึมในการแก้ปัญหาเหล่านี้ได้หรือไม่ จากประสบการณ์ที่ Dr. Kyriienko ได้สะสมมามีโอกาสเป็นไปได้ที่จะทำการศึกษาและวิจัยในอนาคตต่อไป แนวคิดของแบบจำลองทางควอนตั้มนั้นมาจาก Richard Feynmanที่ได้รับรางวัลโนเบลในปี1982 ที่ซึ่งเขาได้แนะนำแบบจำลองควอนตั้มที่สามารถจำลองได้เป็นธรรมชาติที่สุด ถ้าเราได้ควบคุมระบบในควอนตั้มอย่างแท้จริง


          ในการพัฒนาไอเดียนี้จะถูกแยกออกมาจากสาขาทางวิทยาศาสตร์ของ สารสนเทศควอนตั้ม(Quantum Information) ที่เป็นแนวความคิดหลักของควอนตั้มคอมพิวเตอร์อีกที ซึ่งในอุปกรณ์และส่วนประกอบทางควอนตั้มจะมีลำดับเลขฐานของระบบอยู่(Quantum Gates)ที่สามารถนำไปแก้ไขปัญหาที่มีสเกลใหญ่กว่าเมื่อเปรียบเทียบกับรูปแบบการคิดทางคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม(Classical Computer) ก่อนที่จะไปสู่บทต่อไปของการอธิบายการจำลองแบบควอนตั้ม ผู้เขียนอยากจะอธิบายให้เห็นภาพความแตกต่างระหว่าง Quantum Computer ที่เกิดขึ้นจากส่วนประกอบหลักของ Quantum Gates และ Classical Computer กันก่อน มาเริ่มที่ Classical Computer กันก่อนเลย Classical Computer เป็นคอมพิวเตอร์ปกติโดยทั่วไปที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้ และจะมีหลักการทำงานและบรรจุหน่วยความจำที่เรียกว่า Bits อยู่ในระบบ ซึ่งจะประมวลผลตัวเลขที่ได้ออกมาในรูปแบบ 64Bits ตามหลักพีชคณิตบูลีนที่ว่าด้วย บวก ลบ คูณ เลขฐานสองที่แทนด้วย 0 (Low) และ 1(High) และมีdigital logic gate ที่นำมาใช้ประกอบและสร้างคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมดังยกตัวอย่างเช่น And Gateต่อไปนี้


          การกระทำAnd Gate จะมีหลักที่ว่าถ้าอินพุทจากกระแสไฟฟ้าที่ใส่เข้าไปยัง A และ B มีค่า 1และ1 หรือ High and High ด้วยกันทั้งคู่ ค่าที่ได้มาออกจาก And Gate นั้นจะมีค่า 1 หรือ High ในทางตรงกันข้าม ถ้าอินพุทที่ใส่เข้าไปมีค่า  0(Low) และ 0(High)หรือ 0(Low) และ 1(High) จะได้ค่าความจริงที่ได้ออกมานั้น คือ 0ทั้งหมด ดังรูปที่ 2           ต่อมาในส่วนของ Quantum Computer จะเป็นการคำนวนโดยอ้างอิงหลักสถานะความน่าจะเป็นของระบบโดยใช้เวลาเพียงแค่1วินาทีในการประมวลผลหรือแก้ไขปัญหาเหล่านั้น โดยที่ควอนตั้มคอมพิวเตอร์นั้นจะมีส่วนประกอบที่ทำหน้าที่เก็บหน่วยความจำที่มีขนาดเล็กที่สุด ที่เรียกว่า Qubits ซึ่งคิวบิตจะมีสองสถานะคล้ายคลึงกับคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม แต่ที่แตกต่างกันคือคิวบิตนี่จะอิงหลักสถานะทางควอนตั้มนั่นก็คือ การสปินขึ้นและลง จะใช้สัญลักษณะ สปินลงแทนด้วย|0⟩ และ สปินขึ้นด้วย |1⟩ โดยอ้างอิงจากแผนภาพไดอะแกรมของ Bloch sphere ที่กล่าวถึงจำลองสองสถานการณ์สปินของควอนตั้มคิวบิต ดังแสดงในรูปที่ 3            ตัวอย่างเช่นที่อ้างอิงจากแกนของ bloch sphere คือ Pauli x gateที่ใช้ในquantum computer Pauli x gate นั้น จะมีลักษณะคล้ายคลึงกับ not gate ของ classical computer คือเมื่อป้อนลอจิกไป จาก 0(Low) จะ กลายเป็น1(High) และ จาก1(High)จะกลายเป็น0(Low) แต่มีความพิเศษตรงที่ Pauli x gateนั้นจะเป็นการสปินอิเล็กตรอนรอบแกนxของbloch sphereแทนที่เป็นการป้อนลอจิกกระแสไฟฟ้าไปที่อินพุทจากรูปที่ 4 แสดงถึง องค์ประกอบPauli x gate           อย่างไรก็ตามดังแบบฉบับดั้งเดิมจาก ริชาร์ด เฟย์แมน ที่อยากให้นำรูปแบบการศึกษา อนาล็อกรวมกันกับการจำลองแบบควอนตั้ม เพื่อนำมาประยุกต์ใช้และศึกษาทางองค์ประกอบไดนามิคของระบบควอนตั้มเพื่อไขข้อสงสัยที่ว่าสามารถหาพลังงานที่ในระดับชั้นสถานะพื้น(Ground State)ที่ทำให้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางการคำนวนควอนตั้ม แต่ในการศึกษาใหม่นี้ของ Oleksandr Kyriienko แสดงให้เห็นว่า มีความเป็นไปได้ที่จะพัฒนาระบบให้สามารถวัดฟังก์ชั่นคลื่นที่เกยกันได้ ให้มีประสิทธิภาพในการศึกษาองค์ประกอบสถานะพื้นโดยใช้หลักการที่อ้างอิงมาจาก การสร้างแบบจำลองอนาล็อกควอนตั้ม(Analog Quantum Simulation)ได้


          ในส่วนสำคัญการศึกษาไดนามิกของระบบควอนตั้มนั้นเป็นสิ่งที่มีค่าทางการคำนวนควอนตั้มที่สามารถแสดงให้เห็นถึงระบบที่สามารถเข้าคู่กับการวัดแบบเกยตื้น(Overlap)ไปยังจุดที่สเปรกตัมที่มีอุณหภมิต่ำของพฤติกรรมควอนตั้มระบบ ในการสร้างเฟรมเวริ์คให้เข้ากันกับหลักการจำลองไดนามิกควอนตั้ม โดยใช้โปรแกรมจำลองควอนตั้ม และ ควอนตั้มซอฟต์แวร์นั้นจะต้องสามารถควบคุมควอนตั้มแลตทิชในระบบที่มีจำนวนอะตอมประมาณ100อะตอมได้ สิ่งนี้คือสิ่งที่เรียกว่า วิวัฒนาการในการนำเทคโนโลยีควอนตั้มมาใช้ร่วมกับระบบที่ซับซ้อนต่อไปไม่ว่าจะเป็น การควบแน่นของสสาร(Condensed Matter) และ ทางเคมี สืบต่อไปในอนาคต

 

ที่มา:

• https://phys.org/news/2020-01-technique-molecules-materials-quantum-simulator.html
• https://www.nature.com/articles/s41534-019-0239-7
• http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/182/digital/Logic1.htm