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

ภาพแสดงโครงสร้าง SiV center

แม้ว่าอะตอมซิลิกอนจะถูกฝังอยู่ในซับสเตรตที่เป็นของแข็ง แต่อะตอมเหล่านี้จะประพฤติตัวเหมือนลอยอยู่ในแก๊ส ดังนั้นการตอบสนองของอิเล็กตรอนของอะตอมซิลิกอนต่อการกระตุ้นทางควอนตัมจึงไม่จำเป็นต้องใช้อันตรกิริยา (interaction) กับสารอื่น

ภาพประกอบของ quantum bridge แสดงแถวของโฮล (สีม่วง) ซึ่งฝังอยู่ในเพชร
โดยมีอะตอมซิลิกอน 2 อะตอม (สีเหลือง) อยู่ระหว่างโฮลเหล่านั้น

ภาพจาก Sandia National Laboratories

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

อ้างอิง

https://www.sciencedaily.com/releases/2016/10/161014214820.htm

A. Sipahigil, R. E. Evans, D. D. Sukachev, M. J. Burek, J. Borregaard, M. K. Bhaskar, C. T. Nguyen, J. L. Pacheco, H. A. Atikian, C. Meuwly, R. M. Camacho, F. Jelezko, E. Bielejec, H. Park, M. Lon ar, M. D. Lukin. An integrated diamond nanophotonics platform for quantum optical networks. Science, 2016; DOI: 10.1126/science.aah6875