ครั้งแรกกับการเชื่อมต่อควอนตัมคอมพิวเตอร์ไว้ด้วยกัน เพื่อประสิทธิภาพการทำงานที่เหนือกว่า

ควอนตัมคอมพิวเตอร์ เป็นคอมพิวเตอร์ที่มีการนำหลักการทางควอนตัมมาประยุกต์ใช้กับการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ หลักการที่ว่าคือ Quantum entanglement ซึ่งปรากฏการณ์ฟิสิกส์ที่เกิดขึ้นกับคู่ของอนุภาคหรือกลุ่มของอนุภาคที่มีความเกี่ยวข้องกัน ตัวอย่างเช่น อนุภาคสองอนุภาคที่เป็น entangle กัน ไม่ว่าอนุภาคทั้งสองนั้นจะอยู่ห่างกันมากเท่าไรก็ตาม ถ้ามีปรากฏการณ์ใดเกิดขึ้นกับอนุภาคใดอนุภาคหนึ่ง ก็จะส่งผลทำให้เกิดปรากฏการณ์นั้นต่ออีกอนุภาคด้วยเช่นกัน แต่จะเกิดปรากฏการณ์ในทางตรงกันข้าม เช่น อนุภาค A และ อนุภาค B เป็น entangle กัน ถ้าอนุภาค A มี spin up อนุภาค B ก็จะมี spin down หลักการของ Quantum entanglement ทำให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์สามารถประมวลผลแบบขนานได้

โดยในคอมพิวเตอร์ที่เราใช้กันอยู่ในปัจจุบันจะมีหน่วยเก็บข้อมูลที่เล็กที่สุดคือ บิต (bit) ซึ่งใน 1 บิต จะแทนด้วยสถานะ 2 สถานะ นั่นคือ 0 หรือ 1 อย่างใดอย่างหนึ่ง แต่สำหรับควอนตัมคอมพิวเตอร์แล้ว หน่วยเก็บข้อมูลที่เล็กที่สุดจะเรียกว่า คิวบิต (qubit) ซึ่งย่อมากจากคำว่า quantum bit โดยคิวบิตสามารถแสดงสถานะ 0 และ 1 ได้พร้อม ๆ กัน หรืออยู่ระหว่าง 0 กับ 1 ได้ทุก ๆ ค่า ไม่ว่าแบ่งย่อยเป็นกี่ล้านค่าก็ได้ ดังนั้นควอนตัมคอมพิวเตอร์จึงสามารถประมวลผลได้หลายคำสั่งในครั้งเดียว ในขณะที่คอมพิวเตอร์ธรรมดาสามารถประมวลผลได้ทีละคำสั่ง ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์ใช้เวลาประมวลเพียงไม่กี่วินาทีในขณะที่ใช้ซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ประมวลคำสั่งเดียวกันต้องใช้เวลาหลายเดือน

จากข้อความข้างต้น เราคงเห็นประสิทธิภาพการทำงานของควอนตัมคอมพิวเตอร์กันแล้ว แต่จะดีแค่ไหน ถ้าเครื่องควอนตัมคอมพิวเตอร์เชื่อมต่อกันได้และสามารถทำงานไปพร้อม ๆ กันหลาย ๆ เครื่องได้

ตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้น quantum optical network เพื่อใช้ในการส่งข้อมูลทางควอนตัม ทำให้เชื่อมควอนตัมคอมพิวเตอร์เข้าไว้ด้วยกันได้ ซึ่งการกระจายข้อมูลทางควอนตัมบนเครื่อข่ายนั้น จะเกิดขึ้นได้ในรูปการรับรู้ทางควอนตัม เนื่องจากความสัมพันธ์เชิงควอนตัม (quantum correlation) ทุกอะตอมในเครื่อข่ายจะมีประพฤติกรรมราวกับว่าอะตอมเหล่านั้นเป็น 1 อะตอมเดี่ยว (one single atom)

คุณ Ryan Camacho นักวิจัยจากสถาบัน Sandia National Laboratories กล่าวว่า “มีหลายคนที่ได้มีการสร้างเครื่องควอนตัมคอมพิวเตอร์เครื่องเล็ก ๆ ไว้แล้ว แต่นี่จะเป็นครั้งแรกที่มีการใช้ประโยชน์จากสิ่งที่ไม่ใช่เครื่องควอนตัมคอมพิวเตอร์เครื่องใหญ่ แต่เป็นการเชื่อมต่อควอนตัมคอมพิวเตอร์เครื่องเล็ก ๆ เหล่านั้นไว้ด้วยกัน”

งานวิจัยนี้เกิดจากความร่วมมือของนักวิจัยสถาบัน Sandia National Laboratories และ HarvardUniversity ซึ่งศึกษาวัสดุในระดับนาโนด้วยแสง (Nanophotonics) โดยการยิงไอออนอิสระของซิลิกอน (Si) เข้าไปในซับสเตรตที่เป็นเพชร (diamond substrate) ในตำแหน่งที่อยู่ระหว่างอะตอมคาร์บอนที่อยู่ในเพชร อะตอมซิลิกอนซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าอะตอมคาร์บอน จะทำให้อะตอมของคาร์บอนที่อยู่ข้างอะตอมซิลิกอนทั้งสองข้าง หลุดออก ทำให้เกิดช่องว่าง (V) เรียกโครงสร้างนี้ว่า Silicon – vacancy (SiV) center

รูปที่ 1 แสดงโครงสร้าง SiV center

แม้ว่าอะตอมซิลิกอนจะถูกฝังอยู่ในซับสเตรตที่เป็นของแข็ง แต่อะตอมเหล่านี้จะประพฤติตัวเหมือนลอยอยู่ในแก๊ส ดังนั้นการตอบสนองของอิเล็กตรอนของอะตอมซิลิกอนต่อการกระตุ้นทางควอนตัมจึงไม่จำเป็นต้องใช้อันตรกิริยา (interaction) กับสารอื่น

รูปที่ 2 quantum bridge แสดงแถวของโฮล (สีม่วง) ซึ่งฝังอยู่ในเพชร
โดยมีอะตอมซิลิกอน 2 อะตอม (สีเหลือง) อยู่ระหว่างโฮลเหล่านั้น (ภาพจาก https://www.sciencedaily.com/releases/2016/10/161014214820.htm)

คุณ Camacho ยังกล่าวอีกว่า ทีมวิจัยของเขาสามารถสร้างตำแหน่งที่จะฝังอะตอมซิลิกอนได้นับพันตำแหน่ง ซึ่งรองรับการทำงานของอุปกรณ์ที่เป็นควอนตัมทุกชนิด โดยก่อนหน้านี้ นักวิจัยมีการสุ่มหาอะตอมประมาณ 1000 อะตอม ที่ไม่ใช่อะตอมคาร์บอนในซับสเตรตที่เป็นเพชร ในบริเวณเล็ก ๆ ระดับไมครอน เพื่อหาอะตอมเพียงหนึ่งเดียวที่ถูกปล่อยออกมาซึ่งมีพลังงานเพียงพอที่จะใช้เป็นโฟตอนอะตอมเดี่ยว

แต่ละครั้งที่อะตอมซิลิกอนกระเจิงในซับสเตรตที่เป็นเพชร โฟตอนจากแสงเลเซอร์จะชนอิเล็กตรอนของซิลิกอน ทำให้อิเล็กตรอนกระโดดไปยังระดับชั้นพลังงานที่สูงกว่า หรือ สถานะกระตุ้น (excited state) แต่เมื่ออิเล็กตรอนกลับสู่สถานะพื้น (ground state) อิเล็กตรอนจะคายพลังงานออกมาในรูปพลังงานแสง หรือปล่อยโฟตอนออกมานั่นเอง โดยโฟตอนที่ปล่อยออกมา จะเก็บข้อมูลทางควอนตัมไว้ ซึ่งอยู่ในรูปของความถี่ ความเข้ม และโพลาไรเซชันของคลื่น

นักวิจัยจากสถาบัน Sandia สามารถประดิษฐ์อุปกรณ์สำหรับตรวจนับจำนวนไอออนที่ถูกฝังลงในในซับสเตรต โดยการวางแผ่นฟิล์มโลหะลงบนซับสเตรต ซึ่งจะแสดงลำไอออนที่ถูกฝังได้สำเร็จโดยการวัดสัญญาณของการเป็นไอออนซึ่งถูกสร้างโดยไออนเดี่ยว

เรียบเรียงโดย

นราภรณ์ ตั้งหทัยทิพย์

• [1] Diamonds aren't forever: Team creates first quantum computer bridge. สืบค้นจาก https://www.sciencedaily.com/releases/2016/10/161014214820.htm
• [2] A. Sipahigil et al. An integrated diamond nanophotonics platform for quantum optical networks. Science, 2016; DOI: 10.1126/science.aah6875
• [3] H. J. Kimble, The quantum internet. Nature 453, 1023–1030 (2008). Medline doi:10.1038/nature07127
• [4] D. E. Chang, V. Vuletić, M. D. Lukin, Quantum nonlinear optics—Photon by photon. Nat. Photonics 8, 685–694 (2014). doi:10.1038/nphoton.2014.192