ควอนตั้มคอมพิวเตอร์กับการศึกษาสปินทางเคมี

           ทุกวันนี้เราจะพูดได้เต็มๆว่า วงการวิทยาศาสตร์นั้น มีผลต่อชีวิตประจำวันของเรามาก ดั่งที่เห็นในตามข่าวทั่วไป ไม่ว่าจะเป็นในด้านอุปโภค บริโภค ยกตัวอย่างง่ายๆ ไม่ว่าจะเป็นในด้านICT ที่ใช้ในการประมวลผลข้อมูลแต่ละUserนั้นให้มีความรวดเร็วและผิดพลาดจากการประมวลผลได้น้อยสุด ซึ่งจะนำหลักการทางด้าน วิทยาการคอมพิวเตอร์ และ ทางด้านวิศวกรรมควอนตั้ม มาใช้ในออกแบบวงจร และ การออกแบบรับส่งของจำนวนชุดข้อมูลในระบบให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น รวมทั้งวัสดุศาสตร์ หรือ กระบวนการทางเคมีนั้น ได้นำศาสตร์ทั้งสองด้าน ทั้งเคมีวัสดุ และ ควอนตั้มนั้น มาใช้ศึกษาโครงสร้างโมเลกุลทางเคมีก่อนที่จะนำไปทดลองเพื่อปรับปรุง และ พัฒนาคุณสมบัติทางกายภาพให้ดียิ่งขึ้น เนื่องด้วยทฤษฎีทางควอนตั้มคลาสสิค(classical Quantum) ที่มีมาตั้งแต่อดีตดั่งเช่นสมการที่นิยมใช้และเป็นพื้นฐานในการวิเคราะห์คุณสมบัติของคลื่นซึ่งคือสมการชโรดิงเงอร์นั้นละแต่ก่อนจะต้องศึกษาสมการ และ ทฤษฎี ก่อนที่จะนำไปคิดและพัฒนาจากการเขียนพิสูจน์หาที่มาและคิดต่อยอดสมการไปอีก จนถึงปัจจุบันนั้นทฤษฎีเหล่านี้ได้ถูกนำไปปรับปรุง และ พัฒนาต่อยอดให้สามารถใช้งานได้สะดวก สบาย และมีความคล่องตัวมากขึ้น ดั่งเช่น ควอนตั้มคอมพิวเตอร์นั้น ควอนตั้มคอมพิวเตอร์นั้น เป็นการนำหลักการทางควอนตั้มทั้งหมดทั้งมวล ที่คนเรียนสายฟิสิกส์ เคมี รวมถึงสายวิชาด้านอื่นๆ นำมาผนวกและเข้ากันกับ ทางวิทยาการคอมพิวเตอร์ โดยการย่อสมการที่เราต้องการศึกษาให้อยู่ในรูปแบบ โค้ดดิ่ง(Coding) รวมถึง การสร้างแบบจำลองทางโมเลกุลเคมีในหลายๆด้านโปรแกรมต่างๆ เช่น Xcrysden, Quantum Espresso เป็นโปรแกรมที่ใช้ในการศึกษาตำแหน่งโมเลกุลของสสาร และ คุณสมบัติของโมเลกุลของสสารนั้นๆว่าเป็นไปตามทฤษฎีหรือเปล่า ก่อนที่จะนำไปพัฒนาและคำนวณต่อยอดในลำดับต่อไป ซึ่งทำให้เกิดความสะดวกสบายเป็นอย่างมาก ในการศึกษา และ วิจัยต่อยอดในคุณสมบัติทางโมเลกุลของสสารเคมีในปัจจุบันเพื่อป้องกันการผิดพลาดในการทำการทดลองได้เป็นอย่างมาก
 

           ซึ่งเมื่อไม่นานมานี้ ได้มีงานวิจัยอีกรูปแบบนึง ที่นำควอนตั้มคอมพิวเตอร์นั้นมาศึกษาการสปินทางเคมี ซึ่งการศึกษาสปินเคมีโดยใช้ควอนตั้มคอมพิวเตอร์เข้ามาช่วยในการวิเคราะห์และต่อยอดวิจัยเหล่านี้จะเป็นการช่วยลดต้นทุนการผลิต และ ทำให้เกิดประสิทธิภาพทางด้านพลังงานอย่างยั่งยืน ซึ่งในทีมทางวิจัยนั้นกำลังศึกษาโครงสร้างแบบจำลองของโมเลกุลเคมีที่มีโครงสร้างที่ซับซ้อนมากยิ่งขึ้น ซึ่งการศึกษาเหล่านี้ทางทีมวิจัยจะนำไปต่อยอดในการใช้งานเข้ากันกับ ปฏิกิริยาเคมีและแปลงเปลี่ยนไปเป็นพลังงานโซลาร์เซลล์ไปในรูปแบบของกระแสไฟฟ้า เพื่อใช้งานในชีวิตประจำวันต่อไป ทางด้านทีมวิจัยยังบอกอีกว่า ถึงแม้จะมีหลักการทางการคำนวนแบบดั้งเดิมมาก่อนหน้านี้แล้ว แต่สิ่งที่ทีมวิจัยต้องการนำเสนอซึ่งจะเป็นการศึกษาวิจัยแบบใหม่ที่นำหลักการทางคำนวนควอนตั้ม มาช่วยทำให้การศึกษาวิจัยนั้นสามารถต่อยอดในระดับสูงต่อไปได้ ไม่ว่าจะเป็นเทคโนโลยีการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ และ การประดิษฐ์ทางโฟโต้ซินเทซิส และ โฟโตโวลทราอิก ในลำดับถัดไป


          ทั้งนี้ในงานวิจัยอีกชิ้นนึงที่ทีมวิจัยได้ศึกษา จะเป็นการจำลองของควอนตั้มบีตส์ในคู่อิเล็กตรอนบนควอนตั้มคอมพิวเตอร์น้อยซ์ ซึ่งเป็นการทำงานร่วมกันกับหลายมหาลัย ไม่ว่าจะเป็น Georgetown University, DePaul University, Illinois Institute of Technology และ Occidental College in Los Angeles ซึ่งจะเป็นการนำ คลาวด์ที่มีอยู่แล้วของIBMของควอนตั้มคอมพิวเตอร์ เพื่อทำการจำลองการเกิดผลลัพธ์การควบคุมเกิดปฏิกิริยาเคมี โดยใช้การวิวัฒนาการทางเวลาควอนตั้ม(Time Evolution) ของการเกิดสถานะการผันผวนทางควอนตั้มของสารตั้งต้นสองสถานะ และ อาจจะเกิดผลกระทบต่อการเกิดปรากฏการณ์สปินทางเคมีโดยผลที่เกิดตามมาอาจจะเป็นการสูญเสียความเป็นแม่เหล็ก และ เกิดความผันผวนทางความร้อนเกิดขึ้นได้ในระบบ


         การสปินทางเคมี คือ เป็นส่วนหนึ่งของศาสตร์ทางเคมีที่เมื่อสนามแม่เหล็กมีผลกระทบต่อการสปินของอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาเคมี ซึ่งการสปินทางเคมีนั้นเป็นส่วนหนึ่งของปรากฎการณ์ทางควอนตั้ม ตัวอย่างเช่น การซ้อนทับกัน(Superposition) หรือที่จะอธิบายให้กระจ่างขึ้นกว่าเดิมคือ ในควอนตั้มคอมพิวเตอร์นั้นจะมีการประมวลผลที่เราเรียกว่า Qubit คือ 0 เป็นการสปินลงของอิเล็กตรอน และ 1คือการสปินขึ้นของอิเล็กตรอนในเวลาเดียวกัน ซึ่งแตกต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไป ที่อยู่ในรูปแบบ Byte จะสามารถประมวลผลได้แค่ 0(Low) หรือ 1(High)อย่างใดอย่างนึงเท่านั้น และ ความพัวผันทางควอนตั้ม(Entaglement) ซึ่งเป็นหลักการที่อธิบายได้ว่า เมื่อมีอนุภาคเป็นคู่หรือกลุ่มนั้น ซึ่งอาจจะถูกทำให้เกิดปฎิกิริยาทางควอนตั้มด้วยแล้วซึ่งจะทำให้ไม่สามารถอธิบายได้ว่า เจ้าตัวอนุภาคที่เป็นกลุ่มนั้นได้เป็นอิสระต่อกันหรือไม่ ซึ่งจำเป็นจะต้องอธิบายสถานะความพัวผันเชิงควอนตั้มนั้นทั้งระบบ ซึ่งการวัดคุณสมบัติการพัวผันเชิงควอนตั้ม จะวัดได้ เช่น  ตำแหน่ง โมเมนตัม การหมุน และขั้ว (polarization) จะถูกทำบนกลุ่มอนุภาคพัวพัน (entangled particles) เป็นต้น ซึ่งจะมีค่าที่กำหนดอยู่ในทางเคมี ตัวอย่างเช่น ผลลัพธ์ของสารผลิตภัณฑ์ที่ว่านี้หมายถึง จำนวนของปฎิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นและได้ผลของการผลิตนั้นออกมา ซึ่งควอนตั้มคอมพิวเตอร์นั้นจะทำการสร้างแบบจำลองสปินทางควอนตั้มเคมีจะต้องรู้พื้นฐานหลักทางด้าน ไดนามิกของกระบวนการทางเคมีก่อนเป็นต้น ศนูย์วิจัยNotre Dame และ IBMได้จับมือร่วมกันในการทำแบบจำลองการสปินควอนตั้มเคมีโดยใช้ IBM Q network เป็นตัวเซริ์ฟเวอร์ในการประมวลผลและส่งข้อมูลอยู่ที่ในระดับ5 คิวบิต
 

           ซึ่งการทำงานวิจัยร่วมกันที่ว่านั้นจะเป็นการนำควอนตั้มคอมพิวเตอร์มาทำการสร้างแบบจำลองที่ว่าจะเป็นอย่างไรเมื่อควบคุมผลกระทบการสปินที่จะส่งผลให้เกิดผลลัพธ์ทางด้านปฎิกิริยาเคมี ในเคสนี้จะมี2ความเป็นไปได้ปฎิกิริยาจากผลิตภัณฑ์ที่ซึ่งโมเลกุลจะมีพฤติกรรมที่แบ่งเป็น2แบบด้วยกันคือ เชิงเดี่ยว หรือ มีการสปินของอิเล็กตรอน2อิเล็กตรอนในทิศทางตรงกันข้ามกัน เป็น 0(Singlet) หรือในทางตรงกันข้าม ไปเป็นคู่ที่ว่านี้หมายถึงมีอิเล็กตรอน2อิเล็กตรอนสปินไปในทิศทางเดียวกัน กำหนดให้เป็น1(Triplet) ซึ่งจะทำให้พลังงานนั้นมีจำนวนที่แตกต่างกัน ซึ่งสามารถศึกษาเพิ่มเติมจากวรสารวิชาการที่ได้ถูกตีพิมพ์ไว้ที่ V.A. Bagryansky's group—of the V.V. Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion 
ซึ่งโมเลกุลนั้นจะมีการสูญเสียความเป็นแม่เหล็กสืบเนื่องมาจากอิเล็กตรอนสปินนั้นจะมีการอ่อนตัวลงคล้ายกันกับเทปแม่เหล็กนั้นหย่อนยานและสูญเสียความการเก็บข้อมูลเนื่องจากความร้อนที่มากเกินไปซึ่งเจ้าวัสดุแม่เหล็กนี้ซึ่งมีขนาดใหญ่อาจจะทำให้ในอนาคตข้างหน้าจะถูกแทนที่โดยแฟรชไดร์ท แต่ยังคงรักษามาตรฐานการเก็บข้อมูลโดยที่วัสดุเหล่านั้นมาจาก วัสดุแม่เหล็กนั่นเอง แต่เมื่อนานมาแล้วทางโรงงานผลิตได้ทำการทดลองวัสดุแม่เหล็ก ณ อุณหภูมิห้องหรือที่ร้อนจัด เพราะว่า เจ้าตัวความร้อนนี่จะเป็นส่วนที่ทำให้วัสดุแม่เหล็กเกิดการอ่อนตัวลงของสัญญาณสนามแม่เหล็กที่เหนี่ยวนำ จึงทำให้เกิดการนำฟาสอิเล็กตรอนสปินแบบอ่อนตัวลงที่สามารถลดประสิทธิภาพของการส่งสปินในการเก็บพลังงานแสงอาทิตย์


          ทางด้านทีมวิจัยยังได้บอกอีกว่า การทดลองของพวกเรานั้นประสบผลสำเร็จโดยการติดตั้งเครื่องควอนตั้มคอมพิวเตอร์เพื่อศึกษาพฤติกรรมการสปินทางเคมีของอิเล็กตรอน ความแตกต่างที่ทำให้การทดลองทั้งหมดบนควอนตั้มคอมพิวเตอร์นั้น ดูเหมือนกับเจ้าที่เทคโนโลยีนี่จะมีช่วงชีวิตของคิวบิตนั้นสั้นทำให้การคำนวณใน ไมโครวินาทีนั้นทำได้ช้าลงเพื่อส่งข้อมูลระหว่าง2คิวบิตเพื่อใช้ในการประมวลผลออกไป นั่นจึงทำให้เรานั้นจะต้องพิจารณาดูว่า ชนิดของเกตวงจรและคิวบิตนั้นมีการคำนวณโดยใช้เวลาเกินนาทีไปหรือเปล่า เพื่อประหยัดเวลาการคำนวนลงไป ในปกติแล้วการคำนวณทางควอนตั้มนั้น จะมีการซับมิทโปรแกรม รัน การวัด และ หยุดโปรแกรมที่คำนวณ แต่พวกเราใช้โปรแกรมทางการคำนวนควอนตั้ม ที่มีชื่อว่า OpenPulse ซึ่งเป็นโปรแกรมแบบ opensourceภายในโปรแกรมที่มีชื่อว่า Qiskit ที่จะสามารถระบุระดับเพาลส์ในการควบคุมอุปกรณ์ทางควอนตั้ม แต่มีอุปสรรค์เพราะว่า มีการเกิดสัญญาณรบกวน(Noise)ที่เกิดขึ้นภายในระบบ ซึ่งเจ้าสัญญาณรบกวนนี้เป็นสิ่งที่เกิดตามธรรมชาติของคิวบิต แต่จะมีขีดจำกัดจำนวนการคำนวณ แต่สามารถปฎิบัติและทำการหาจำนวนที่ผิดพลาดได้ในขั้นตอนสุดท้าย 


          ทั้งนี้ทางทีมวิจัยได้ทิ้งท้ายไว้ว่า พวกเขายังคงศึกษาและวิจัยทางด้านการคำนวนควอนตั้มอย่างต่อเนื่อง ไม่ว่าจะเป็นการทำยังไงก็ได้ให้เกิดสัญญาณรบกวนที่น้อยที่สุด รวมถึงการลดช่องว่างในการคำนวนส่งผลให้เกิดการผิดพลาดน้อยที่สุด อีกทั้งพวกเขายังมีการวิจัยใหม่ด้วยการนำการรบกวนคิวบิตมาทำการคำนวนโดยการนำการคำนวนแบบดั้งเดิมสำหรับการจำลองทางเคมี และ ในสุดท้ายนี้ยังหวังว่า OpenPulseจะมีส่วนช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางควอนตั้มคอมพิวเตอร์ไม่ว่าจะเป็น การสร้างแบบจำลอง การเข้าใจสัญญาณรบกวนภายในคิวบิต รวมทั้งเข้าใจในปรากฎการณ์ทางเคมี ไม่ว่าจะเป็น การประดิษฐ์โฟโต้ซินเทซิส และ การแปลงพลังงานของโซลาร์เซลล์ ส่วนสุดท้ายนี้ทางผู้อ่านอยากรู้ว่า OpenPulse คือ โปรแกรมอะไร OpenPulse คือ โปรแกรมที่ใช้คำนวณทางด้านควอนตั้มคอมพิวเตอร์ ในส่วนของไดนามิกควอนตั้ม รวมถึงวงจรการเกิดเพาลส์ หรือ สัญญาณรบกวน ซึ่งOpenPulse นี้เป็นส่วนนึงของโปรแกรม Qiskit ที่พัฒนาโดย IBM เป็นโปรแกรมการคำนวณทางด้านควอนตั้มคอมพิวเตอร์อีกด้วยเช่นกัน และก็จะมีอีกแขนงนึงที่นักพัฒนายังทำการพัฒนาอยู่เรื่อยๆ ที่เรียกว่า  Openfermion เป็นโปรแกรมที่ใช้คำนวณทางด้านควอนตั้มเคมี
ไม่ว่าจะเป็น Couple-Cluster-Single to Double excitation(CCSD) จนกระทั่ง Self-consistent-field(SCF) ถ้าสนใจท่านผู้อ่านสามารถไปศึกษาหาเพิ่มเติมได้ เพราะ เทคโนโลยีควอนตั้มอีกไม่นานจะเข้ามามีบทบาทของเราในชีวิตประจำวันอย่างแน่นอน

• https://phys.org/news/2020-02-quantum-flip-script-chemistry.html
• https://arxiv.org/abs/2001.00794
• https://www.popularmechanics.com/science/math/a29339863/quantum-superposition-molecules/