สัมภาษณ์นักฟิสิกส์ควอนตัมไทยรุ่นใหม่

9 มกราคม 2561

 

           บิดาของวิชากลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) อย่าง Max Planck ก็ดี หรือนักฟิสิกส์ที่ช่วยพัฒนาต่อๆ มาอย่าง Max Born, Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger หรือ Paul Dirac ก็ดี ทำงานค้นคว้าของท่านก็เพื่อความรู้บริสุทธิ์ เป็นการพยายามอธิบายปรากฏการณ์ในธรรมชาติบางอย่างที่วิชาฟิสิกส์แบบดั้งเดิม (Classical Physics) ไม่สามารถให้คำตอบได้ เช่น เรื่องสเปกตรัมแสงของอะตอมต่างๆ (รูปที่ 1) หรือการปลดปล่อยรังสีแอลฟาจากการสลายตัวของนิวเคลียสบางชนิด เป็นต้น แต่ความสำเร็จของทฤษฎีควอนตัมก็ปะปนด้วยความแปลกประหลาดที่น่าฉงนสนเท่ห์ จนแม้แต่นักฟิสิกส์ยอดเยี่ยมที่สุดตลอดกาลอย่างไอน์สไตน์ก็ยังรับไม่ได้ ดังที่ได้เคยกล่าวไว้เป็นประโยคทองว่า God does not play dice with the universe.  ทั้งๆ ที่รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เดียวที่ท่านได้รับเมื่อปี พ.ศ. 2464 เป็นเรื่องเกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoelectric Effect) ซึ่งต้องอาศัยแนวคิดเชิงควอนตัมที่ว่าแสงซึ่งก่อนหน้านี้เชื่อว่าเป็น คลื่น (wave) ในกรณีนี้กลับต้องคิดว่าเป็นอนุภาค (particle) คืออนุภาคโฟตอน ซึ่งแต่ละตัวมีพลังงาน  (E) = hเมื่อ h คือค่าคงที่ของ Planck และ คือ ความถี่ของแสง อย่างนี้แล้วคนธรรมดาทั่วไปจะไม่สับสนได้อย่างไร  และคงไม่ต้องคิดไปไกลเรื่องนวัตกรรมหรือเทคโนโลยีจากกลศาสตร์ควอนตัม

 

                               

 

รูปที่ 1 ตัวอย่างสเปกตรัมแสงที่ปลดปล่อยออกมาจากอะตอมที่มีมวลต่างกัน 3 ชนิด คือ ไฮโดรเจน, นีออน และเหล็ก เทียบกับสเปกตรัมแสงช่วงที่ตามองเห็น ซึ่งต้องใช้ฟิสิกส์ควอนตัมเท่านั้นในการอธิบายว่าทำไมจึงมีลักษณะเป็นเส้น หรือเป็น line spectrum อย่างที่เห็น (ที่มารูป: http://www2.ifa.hawaii.edu/newsletters/article.cfm?a=517)

 

        แต่โลกนี้ยังโชคดี ที่ต่อมามีนักฟิสิกส์อัจฉริยะที่ชื่อว่า John Stewart Bell (รูปที่ 2) เปล่งประกายออกมาทันกาลในปี พ.ศ. 2007    ดร. เบลล์ ได้พิสูจน์ว่าทฤษฎีควอนตัมนั้นมีความสมบูรณ์และสามารถนำมาใช้งานได้จริง สมบัติทางควอนตัมทั้งหลาย เช่น entanglement เป็นอาทิ มีอยู่จริง จริงเหมือนกับดวงจันทร์ที่เราเห็นกันอยู่ทุกคืน  ผลงานนี้ของ ดร.เบลล์ รู้จักกันในชื่อ Bell’s Theorem นับแต่นั้นมาการค้นคว้าวิจัยด้านฟิสิกส์ควอนตัมก็ไม่ได้จำกัดอยู่แต่ภายในกรอบของฟิสิกส์บริสุทธิ์อีกต่อไป ทำให้ฟิสิกส์ควอนตัมพัฒนาก้าวหน้าขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงต่อมา โดยเฉพาะในช่วง 2 ทศวรรษหลังมานี้ ปัจจุบันเทคโนโลยีควอนตัม (Quantum Technology หรือ QT) กำลังได้รับความสนใจมากทั้งจากรัฐบาลของประเทศที่พัฒนาแล้ว เช่น สหภาพยุโรป (EU) ได้ประกาศไปแล้วว่าจะทุ่มงบประมาณอีก 1 พันล้านยูโร (ประมาณ 3.9 หมื่นล้านบาท) สำหรับการวิจัยและพัฒนาทางด้าน QT ระหว่างปี พ.ศ. 2561-2571 (ตลอด 20 ปีที่ผ่านมาได้สนับสนุนงบประมาณไปแล้วร่วม 550 ล้านยูโร) และจากบริษัทยักษ์ใหญ่หลายแห่ง ไม่ว่าจะเป็น Google, IBM, Intel, Microsoft, Toshiba หรือ Volkswagen โดยเฉพาะในด้านควอนตัมคอมพิวเตอร์และโทรคมนาคมเชิงควอนตัม ซึ่งคาดการณ์ว่าในปี พ.ศ. 2563 จะมีมูลค่าตลาดอยู่ที่ 850 และ 1,150 ล้านเหรียญสหรัฐ ตามลำดับ [1]  นวัตกรรมและเทคโนโลยีขั้นสูงใหม่ๆ กำลังทยอยเกิดจากกลศาสตร์ควอนตัมจริงๆ แล้วในอนาคตอันใกล้นี้

 

                                                

 

รูปที่ 2 John Stewart Bell (พ.ศ. 2471 – 2533) นักฟิสิกส์ชาวไอร์แลนด์เหนือ ระหว่างปี พ.ศ. 2495-2533 ทำงานเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีอยู่ที่ศูนย์วิจัย CERN ของสหภาพยุโรป ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ เคยได้รับรางวัลเหรียญดิแรคของ Institute of Physics (IOP) แห่งประเทศอังกฤษเมื่อปี พ.ศ. 2531 (ที่มารูป: https://fineartamerica.com/featured/john-stewart-bell-peter-menzel.html)

 

            ในโอกาสที่นักฟิสิกส์ไทยรุ่นใหม่หลายคนที่กำลังศึกษาทางด้านฟิสิกส์ควอนตัมอยู่ในมหาวิทยาลัยที่มีชื่อเสียงในต่างประเทศหลายแห่งได้กลับบ้านมาร่วมสัมมนาแลกเปลี่ยนความคิดกันที่จังหวัดเชียงใหม่เมื่อวันที่ 27 ธันวาคม พ.ศ. 2560 (โปรดดูรายละเอียดที่คอลัมน์ ข่าวกิจกรรม) ตามคำเชิญของศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ ซึ่งเป็นโอกาสที่หาไม่ได้ง่ายนัก เราจึงได้ขอสัมภาษณ์ตัวแทนของกลุ่มเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมที่แต่ละท่านกำลังทำงานวิจัยและพัฒนาอยู่อย่างเข้มข้นขณะนี้ และต่อไปนี้คือบทสัมภาษณ์ของนักฟิสิกส์ ควอนตัมไทยรุ่นใหม่ 4 ท่าน      

1. กลศาสตร์ควอนตัมมีประโยชน์อย่างไรในโลกอนาคต และคาดว่าเทคโนโลยีควอนตัม (และ spin-off) จะใช้งานได้จริงเมื่อใด และหากประเทศไทยไม่ทำอะไรสักอย่างกับเรื่องนี้จะพลาดโอกาสหรือเสียประโยชน์อย่างไร

           อารียา: กลศาสตร์ควอนตัมเป็นศาสตร์ทางฟิสิกส์ที่สำคัญมากอยู่แล้ว สามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆมากมายในจักรวาล ความรู้ทางควอนตัมมีประโยชน์ต่อเทคโนโลยีต่างๆในอนาคตอย่างแน่นอน ลองนึกถึงเลเซอร์ หรือทรานซิสเตอร์ ก็ใช้หลักการทางกลศาสตร์        ควอนตัม แต่คนทั่วไปนึกไม่ถึง เราใช้กันจนกลายเป็นของธรรมดาเกลื่อนตลาด ถ้าเราเข้าใจหลักการทางกลศาสตร์ควอนตัม เราจะเข้าถึงและสามารถพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆมากมาย แต่ทีนี้คำว่า Quantum Technology หรือเทคโนโลยีทางควอนตัม ในปัจจุบันถูกนำมาใช้ในแง่ของเทคโนโลยีที่นำเอาพวกคุณสมบัติประหลาดๆของกลศาสตร์ควอนตัมมาใช้ประโยชน์ ตัวอย่างเช่น Quantum tunnelling หรือ Quantum entanglement ซึ่งเทคโนโลยีระดับที่สูงขึ้นในต่างประเทศก็มีใช้กันแล้ว เช่น ใน atomic clock หรือ ในการวัดคลื่นแรงโน้มถ่วงแบบใช้ squeezed state of vacuum แต่อาจจะยังไม่เกลื่อน เพราะว่ายังมีราคาแพง ส่วนคำถามอันหลัง เรื่องการเสียประโยชน์ ถ้าเราไม่สามารถผลิตเทคโนโลยีเองได้ หรือไม่เข้าใจ ใช้ไม่เป็น เราก็เสียประโยชน์แน่นอนอยู่แล้ว 

 

2. ถ้าท่านคิดว่าประเทศไทยควรจะเอาจริงเอาจังและลงทุนลงแรงกับเทคโนโลยีควอนตัม ท่านคิดว่าประเทศไทยควรเน้นวิจัยและพัฒนาเรื่องใด (ในเงื่อนไขที่มีงบประมาณจำกัด)

           อารียา: ถ้าประเทศไทยจะเอาจริงเอาจังกับเทคโนโลยีด้านนี้ ก็ควรจะเน้นด้าน Quantum sensing/Quantum metrology ซึ่งมีประโยชน์ในทั้งระยะสั้นและระยะยาวมากที่สุด ซึ่งรวมพวก atomic clock เพราะว่าในอนาคตการวัดปริมาณใดๆ (รวมถึงการวัดเวลา) จะเน้นความแม่นยำมากขึ้น เทคโนโลยีต่างๆจะต้องขึ้นกับความแม่นยำมากขึ้นเรื่อยๆ  ส่วน Quantum secured communication ก็น่าสนใจ แต่ส่วนตัวคิดว่ายังไม่จำเป็น ส่วนพวก Quantum computing นั้น กว่าจะเห็นอนาคตและเห็นผลประโยชน์ต่อมนุษยชาติ น่าจะต้องใช้เวลาอีกนาน

 

3. ท่านคิดว่าประเทศไทยควรจะพัฒนาหรือเตรียมการทางด้านการศึกษาอย่างไรเพื่อให้เยาวชนมีความพร้อม และสามารถพัฒนาประเทศด้านควอนตัมเทคโนโลยีให้ทัดเทียมกับต่างประเทศได้

           อารียา: จริงๆไม่ได้อยากให้ก้าวกระโดดไปตื่นเต้นกับคำว่าควอนตัม แต่อยากให้ใช้ “ความประหลาด” และ “ความน่าตื่นเต้น” ของศาสตร์นี้ เป็นแรงจูงใจให้คนหันมาทำความเข้าใจหลักการทางฟิสิกส์ระดับนี้มากขึ้น ซึ่งก็หวังว่าจะทำให้มีคนสนใจศาสตร์ทางฟิสิกส์อื่นๆไปด้วย ถ้าอยากจะให้ประเทศเราพัฒนาไปทัดเทียมกับต่างประเทศได้ เราจะต้องมีความรู้รอบด้าน ต้องเน้นการศึกษาที่เดินตามโลก ไม่ใช่การศึกษาที่เดินตามหนังสือเรียน (เก่าๆ) การศึกษาที่เน้นความเข้าใจ ไม่ใช่การศึกษาแบบท่องจำทำข้อสอบ

       

4. ห้องปฏิบัติการวิจัยที่ท่านทำวิจัยอยู่ในต่างประเทศ เขาทุ่มลงทุนทำวิจัยด้านควอนตัมขนาดไหน เขามี vision อย่างไร และเขาอยากเห็นอะไร ถึงลงทุนขนาดนั้น ห้องปฏิบัติการวิจัยที่ท่านอยู่ได้รับงบประมาณสนับสนุนต่อปีเป็นจำนวนเท่าไร มีนักวิจัยจำนวนเท่าใด

           อารียา: อันนี้ส่วนตัวไม่ทราบรายละเอียดเรื่องงบประมาณในออสเตรเลีย แต่ทราบว่ามีความร่วมมือจากหลายมหาวิทยาลัยและบริษัทเอกชนทั้งในประเทศและต่างประเทศ (หลักๆ คือ จีน ญี่ปุ่น และสหรัฐอเมริกา) เงินทุนวิจัยค่อนข้างสูง ดูจากจำนวนกลุ่มวิจัยและจำนวนนักวิจัย (น่าจะอยู่ในระดับหลายพันคนในประเทศ) สำหรับ Griffith University เอง ก็มีความร่วมมือกับมหาวิทยาลัยใหญ่ๆ 6 แห่ง   ในออสเตรเลีย โดยมีงบประมาณวิจัยที่มีชื่อเรียกว่า CQC2T โดยที่เงินทุนวิจัยในความร่วมมือนี้นั้นอยู่ที่ประมาณ 80 ล้านเหรียญออสเตรเลีย หรือประมาณ 2,024 ล้านบาท วิสัยทัศน์ค่อนข้างกว้าง เพราะมีกลุ่มวิจัยหลากหลาย มีตั้งแต่ ด้านการสื่อสาร จนกระทั่ง        การคำนวณทางควอนตัม (quantum communication and quantum computing) รายละเอียดเพิ่มเติม ดูได้ที่เว็บไซต์ http://www.cqc2t.org

 

5.ท่านคิดว่าสมบัติใดในทางกลศาสตร์ควอนตัมมีความสำคัญมากกับเทคโนโลยีอนาคต และขอช่วยอธิบายให้คนทั่วไปเข้าใจได้ง่าย

          อารียา: คิดว่าสิ่งที่สำคัญที่สุดคือ คุณสมบัติทางคลื่นของสสาร (ซึ่งรวมถึง quantum superposition หรือ การซ้อนทับทางควอนตัม) ถามว่าทำไมถึงสำคัญ ก็เพราะว่าคุณสมบัตินี้เป็นต้นตอที่ทำให้เราอธิบายธรรมชาติได้ลึกและละเอียดมากขึ้น มากกว่ากลศาสตร์ดั้งเดิมที่ประมาณทุกอย่างเป็นจุดอนุภาค ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอน มีสมบัติเป็นคลื่น ซึ่งเมื่อเข้าใจอย่างนี้ ก็จะทำให้เข้าใจได้ว่าทำไมอิเล็กตรอน จึงไม่สามารถถูกจับขังให้อยู่ที่ที่หนึ่งได้ หรือทำไมมันสามารถลอดผ่านกำแพงพลังงานที่สูงกว่าได้ (คือหลัก Quantum tunneling เช่นในทรานซิสเตอร์) อย่างไรก็ดี แม้แต่สมบัติทางคลื่นนี้ ก็ยังไม่สมบูรณ์ดี ยังมีข้อกังขาอีกหลายอย่าง ซึ่งยังอยู่ในระดับงานวิจัย ส่วน quantum entanglement เป็นคุณสมบัติที่ค่อนข้างพิเศษ อธิบายง่ายๆ คือ เป็นคุณสมบัติที่ทำให้สองอนุภาคที่ entangle กันนั้น แม้ว่าจะอยู่ห่างกันไกล แต่กลับมีความเชื่อมโยงกัน และทำตัวราวกับว่ามันสามารถสื่อสารกันได้แบบเร็วเหนือแสง

 

   

1. กลศาสตร์ควอนตัมมีประโยชน์อย่างไรในโลกอนาคต และคาดว่าเทคโนโลยีควอนตัม (และ spin-off) จะใช้งานได้จริงเมื่อใด และหากประเทศไทยไม่ทำอะไรสักอย่างกับเรื่องนี้จะพลาดโอกาสหรือเสียประโยชน์อย่างไร

             ภูมิพงศ์: สมบัติทางฟิสิกส์ควอนตัมมากมายกำลังถูกศึกษาและนำมาประยุกต์ใช้แล้วในปัจจุบัน ทั้งเพื่อการคำนวณที่เร็วขึ้น การสื่อสารที่กระชับและปลอดภัยขึ้น รวมถึงความรู้ใหม่ๆที่ช่วยให้เราเข้าใจธรรมชาติและตัว “กลศาสตร์ควอนตัม”เองได้ดีขึ้น ความเข้าใจในพื้นฐานและความรู้ในการสร้างและพัฒนาเทคโนโลยีเชิงควอนตัมด้วยตัวเองจะช่วยให้เราได้รับเทคโนโลยีใหม่ๆ รวดเร็วขึ้นและในราคาถูกลง และเมื่อเรามีองค์ความรู้ที่เพียงพอ เราสามารถให้ความรู้ที่ถูกต้องเหมาะสมกับโอกาสแก่เยาวชนและประชาชนได้

            แม้เราจะยังคงสถานะผู้ซื้อ เรายังสามารถวางแผน ตรวจสอบ บำรุงรักษา และเลือกหาอุปกรณ์ที่เหมาะกับจุดประสงค์ได้ อีกด้านหนึ่ง ความเข้าใจที่ถูกต้องในหมู่ประชาชนอาจช่วยลดการทุจริตในการจัดซื้อเทคโนโลยีเหล่านี้ได้ในระยะยาว

 

2. ถ้าท่านคิดว่าประเทศไทยควรจะเอาจริงเอาจังและลงทุนลงแรงกับเทคโนโลยีควอนตัม ท่านคิดว่าประเทศไทยควรเน้นวิจัยและพัฒนาเรื่องใด (ในเงื่อนไขที่มีงบประมาณจำกัด)

            ภูมิพงศ์: Quantum Information ทั้งในด้าน communication และ cryptography เพราะเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาเองได้ และสามารถต่อยอดจากอุปกรณ์ optics และ photonics ที่เรามี (ถ้าความร่วมมือด้านอุปกรณ์ระหว่างสถาบันเกิดขึ้นได้) ที่สำคัญความร่วมมือในระดับนานาชาติยังคงเปิดกว้างทั้งในภาคการศึกษาและธุรกิจ หากมองในแง่ความปลอดภัย เราไม่สามารถพึ่งพาเทคโนโลยี Quantum Cryptography จากต่างประเทศไปได้ตลอด อย่างน้อยเราควรมีความรู้ความเข้าใจเพียงพอที่จะตรวจสอบการทำงานและบำรุงรักษาอุปกรณ์ที่เราซื้อมาได้เอง

 

3. ท่านคิดว่าประเทศไทยควรจะพัฒนาหรือเตรียมการทางด้านการศึกษาอย่างไรเพื่อให้เยาวชนมีความพร้อม และสามารถพัฒนาประเทศด้านควอนตัมเทคโนโลยีให้ทัดเทียมกับต่างประเทศได้

              ภูมิพงศ์: ควรเริ่มจากการศึกษาขั้นพื้นฐานตั้งแต่ภาษา คณิตศาสตร์ ตรรกะ ศิลปะ วัฒนธรรม และ Classical Science สอนให้เขารักการอ่าน ให้เขาไม่เลือกที่จะเรียนรู้   แต่ให้เขาเลือกที่จะเชื่ออย่างมีเหตุผล ให้เขารู้จักคิด รู้จักถาม รู้จักหาความรู้เพิ่มเติมเมื่อถึงเวลา ให้เขาเห็นคุณค่าและภูมิใจในความรู้และความเข้าใจใหม่ๆ ที่เขาได้มาจากความคิดความพยายามของตัวเอง

             การยัดเยียดความรู้ใหม่ๆ ก่อนเวลาอันควร แม้ว่าสิ่งที่บอกจะถูกแต่มันจะสร้างความสับสนแก่เด็ก และมันจะกลายเป็นเพียงชื่อที่เอาไว้คุยอวดกันว่าใคร "จำ" ได้มากกว่า แทนที่จะเป็นสิ่งกระตุ้นให้เด็กศึกษาเพิ่มเติม

 

4. ห้องปฏิบัติการวิจัยที่ท่านทำวิจัยอยู่ในต่างประเทศ เขาทุ่มลงทุนทำวิจัยด้านควอนตัมขนาดไหน เขามี vision อย่างไร และเขาอยากเห็นอะไร ถึงลงทุนขนาดนั้น ห้องปฏิบัติการวิจัยที่ท่านอยู่ได้รับงบประมาณสนับสนุนต่อปีเป็นจำนวนเท่าไร มีนักวิจัยจำนวนเท่าใด

               ภูมิพงศ์: พอจะสรุปได้ว่า Quantum Information Science  กำลังพัฒนาจากความรู้เชิงทฤษฎีไปสู่การทดลองและประยุกต์ใช้ เทคโนโลยีใหม่ๆจะเกิดขึ้นได้นักวิจัยต้องมีทรัพยากรและอิสระในงานวิจัยที่เพียงพอ

              สิ่งที่น่าสนใจ คือ IQC ตั้งขึ้นจากวิสัยทัศน์ของภาคธุรกิจ (Mike Lazaridis ผู้ก่อตั้ง BlackBerry) ที่สอดคล้องกับความต้องการพัฒนาเทคโนโลยีด้าน Quantum Information ของภาคการศึกษา (University of Waterloo) และรัฐบาล (Federal และ Ontario Government) ความร่วมมือดังกล่าวทำให้สถาบันวิจัยระดับนี้เกิดขึ้นได้

              IQC ที่ผมศึกษาอยู่มีงบก่อตั้งรวมประมาณ 350 ล้านเหรียญแคนาดา (ประมาณ 9 พันล้านบาท) ทั้งจากภาคธุรกิจ มหาวิทยาลัย และรัฐบาล และยังได้งบประมาณบริหารสมทบอีก 25 ล้านเหรียญแคนาดา (ประมาณ 648 ล้านบาท) ระยะเวลาห้าปี ส่วนหนึ่งของงบฯ นี้ใช้เพื่อการศึกษาต่อประชาชนและกิจกรรมเพื่อส่งเสริมการมีส่วนร่วม (outreach) ทั้งนี้ยังไม่รวมเงินทุนวิจัยส่วนตัวของคณาจารย์และกลุ่มวิจัยต่างๆ ซึ่งผมไม่มีข้อมูลตัวเลขที่แน่นอน สำหรับบุคลากรของ IQC ประกอบด้วยคณาจารย์ 29 คน, นักศึกษาหลังปริญญาเอก 40 คน, นักศึกษา135 คน และเจ้าหน้าที่อื่นๆ อีกประมาณ 50 คน

 

อ้างอิง:

  1. Vision: https://uwaterloo.ca/institute-for-quantum-computing/about
  2. https://uwaterloo.ca/news/news/ontario-budget-supports-quantum-research-waterloo

     3.  http://www.ourcommons.ca/Content/Committee/421/FINA/Brief/BR8398292/br-external/InstituteforQuantumComputing-e.pdf

 

5. ท่านคิดว่าสมบัติใดในทางกลศาสตร์ควอนตัมมีความสำคัญมากกับเทคโนโลยีอนาคต และขอช่วยอธิบายให้คนทั่วไปเข้าใจได้ง่าย

            ภูมิพงศ์ที่สำคัญมากคือสมบัติ entanglement ลองนึกภาพเหรียญสองเหรียญที่มีโอกาสออกหัว-ก้อยเท่าๆกัน แต่ที่แปลกจาก เหรียญทั่วๆไปคือเหรียญสองเหรียญนี้จะออกหัวหรือก้อยเหมือนกันเสมอ ไม่ว่าเหรียญใดจะถูกโยนก่อนหรือหลังหรือจะอยู่ไกลกันเพียงใดก็ตาม แน่นอนว่าเหรียญที่มีสมบัติดังกล่าวไม่สามารถพบได้ในโลกระดับ macro-scale ที่เราเห็นกันในทุกวัน แต่สมบัติดังกล่าวนี้พบได้ในโลกระดับ micro-scale เช่นสถานะของอะตอมหรือโฟตอน ในการศึกษา entanglement เราศึกษาสถานะดังกล่าวแทนการโยนเหรียญ

           ประโยชน์ของ entanglement: สิ่งที่น่าสนใจจากการที่เหรียญออกหัว (หรือก้อย) เหมือนกันเสมอโดยไม่คำนึงถึงระยะทางคือ ข้อจำกัดในทฤษฏีสัมพัทธภาพที่ว่าข้อมูล (information) ไม่สามารถเดินทางเร็วกว่าแสงได้ นั่นแสดงว่าเราไม่สามารถกำหนดให้เหรียญหนึ่งออกหัวเพื่อให้อีกเหรียญออกหัวอย่างที่เราอยาก อันที่จริงเราพบว่าถ้าเราบังคับให้เหรียญใน entangled state ออกหัว (หรือก้อย) อย่างที่เราอยาก สมบัติ entanglement จะหายไป

           ทางเดียวที่สมบัติ entanglement จะเกิดขึ้นและถูกวัดได้โดยไม่ขัดกับทฤษฎีสัมพัทธภาพคือผลการโยนเหรียญต้องเป็นแบบสุ่ม ซึ่งไม่ให้ข้อมูล (information) ใหม่ออกมาหลังจากการโยน (เรารู้ก่อนโยนว่าเหรียญออกหัว-ก้อยอย่างสุ่ม และเราก็ได้ค่าสุ่มหลังโยน---เราไม่ได้รู้อะไรเพิ่มขึ้นเลย นั่นคือไม่มีการส่งผ่าน information)

           ด้วยเหตุนี้ เราไม่สามารถใช้ entanglement ในการสื่อสารได้โดยตรง แต่เราสามารถใช้ค่าสุ่มจาก entanglement ในการส่งรหัสลับได้ (symmetric key distribution) ทั้งนี้ก็เพราะเราไม่รู้แน่ว่าชุดค่าสุ่มที่ได้จะเป็นอะไร แต่เรารู้แน่ว่าทั้งสองฝั่งมีค่าที่วัดได้หรือรหัสที่เหมือนกัน เหมือนกันเนื่องจากสมบัติ entanglement และนี่คือจุดเริ่มต้นของการศึกษาการเข้ารหัสเชิงควอนตัม (Quantum Cryptography)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. กลศาสตร์ควอนตัมมีประโยชน์อย่างไรในโลกอนาคต และคาดว่าเทคโนโลยีควอนตัม (และ spin-off) จะใช้งานได้จริงเมื่อใด และหากประเทศไทยไม่ทำอะไรสักอย่างกับเรื่องนี้จะพลาดโอกาสหรือเสียประโยชน์อย่างไร

          จิรวัฒน์: ต้องมองก่อนว่าควอนตัมเทคโนโลยีนั้นมีอะไรบ้าง ซึ่งประกอบด้วย 4 อย่างด้วยกัน คือ การสื่อสาร การคำนวณ การจำลองวัสดุ และการวัดหรือเซ็นเซอร์ต่างๆ หากลองดูว่าเทคโนโลยีไหนจะเข้ามาใช้งานจริงได้ก่อน ถ้าเป็นควอนตัมคอมพิวเตอร์หรือการคำนวณ หลายๆ ที่ยังมองเป็นโครงการระยะยาวอยู่ ซึ่งอาจใช้เวลามากกว่า 10 ปี แต่ถ้าเป็นเรื่องควอนตัมเซ็นเซอร์ (การทำอุปกรณ์รับรู้ที่มีความไวสูง) ทุกวันนี้ก็มีใช้งานกันแล้ว ไม่ว่าจะเป็นการใช้ NMR (Nuclear Magnetic Resonance) การใช้ SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) ในการวัดสนามแม่เหล็ก หรือการใช้เทคนิค NV Center (Nitrogen-vacancy Center) ในการตรวจวัดสนามแม่เหล็กต่างๆ หรือ นาฬิกาอะตอม (atomic clock) เองก็ตาม 

         หากประเทศไทยไม่ทำอะไรสักอย่างกับเรื่องนี้จะพลาดโอกาสหรือเสียประโยชน์อย่างไรนั้น การเสียประโยชน์ค่อนข้างสำคัญเพราะว่าวิชากลศาสตร์ควอนตัมเป็นวิชาที่ค่อนข้างใหม่สำหรับประเทศไทย แม้แต่นักฟิสิกส์ด้วยกันเองก็ยังคิดว่าวิชากลศาสตร์ควอนตัมเป็นวิชาที่ยากพอสมควร ฉะนั้นคนที่จะเข้าใจควอนตัมเทคโนโลยีจริงๆ ในประเทศไทยนั้นมีน้อยมาก ถึงแม้ว่าเราจะซื้อเทคโนโลยีเข้ามาจริงๆ คนที่สามารถใช้ได้ ซ่อมได้จริงๆ ก็ยังมีน้อย ตอนนี้ผมคิดว่าเป็นเวลาที่สำคัญมากที่จะสร้างกำลังคนทางด้านนี้

 

2. ถ้าท่านคิดว่าประเทศไทยควรจะเอาจริงเอาจังและลงทุนลงแรงกับเทคโนโลยีควอนตัม ท่านคิดว่าประเทศไทยควรเน้นวิจัยและพัฒนาเรื่องใด (ในเงื่อนไขที่มีงบประมาณจำกัด)

            จิรวัฒน์: ถ้างบประมาณจำกัดและเราต้องการสร้างบรรยากาศกับสิ่งแวดล้อมของการทำงานวิจัยที่ดี ผมคิดว่าการลงทุนด้านฟิสิกส์ทฤษฎีก็สำคัญ เพราะมันถูกกว่าเยอะ และเราสามารถประสานความร่วมมือกับนักทดลองต่างประเทศได้ ตัวผมเองก็เป็นนักทฤษฎี ก็สามารถร่วมทำงานกับ Google ที่อเมริกาได้ เราไม่จำเป็นต้องบินไปด้วยซ้ำไป ก็แค่คุยกันผ่าน video call

           ในมุมมองเกี่ยวกับด้านการทดลอง คิดว่าเราควรจะเริ่มจากด้านเซ็นเซอร์ (sensor) ก่อน เพราะน่าจะเป็นการประยุกต์ที่ง่ายที่สุดและทุกคนน่าจะเข้าถึงได้ง่ายที่สุดด้วยครับ

 

หมายเหตุบรรณาธิการคณะนักวิจัยของ CQT, Google, UC Santa Barbara และ University of Crete ที่มีนายจิรวัฒน์  ตั้งปณิธานนท์ร่วมอยู่ด้วย เพิ่งประสบความสำเร็จร่วมกันเมื่อปลายปีที่แล้วในการคำนวณ "แถบพลังงานรูปผีเสื้อ (Hofstadter butterfly)” ได้เป็นครั้งแรกของโลก ผลงานนี้ได้รับการตีพิมพ์แล้วใน Science วารสารวิชาการชั้นนำของโลก: P. Roushan, C. Neill, J. Tangpanitanon, V. M. Bastidas, A. Megrant, R. Barends, Y. Chen, Z. Chen, B. Chiaro, A. Dunsworth, A. Fowler, B. Foxen, M. Giustina, E. Jeffrey, J. Kelly, E. Lucero, J. Mutus, M. Neeley, C. Quintana, D. Sank, A. Vainsencher, J. Wenner, T. White, H. Neven, D. G. Angelakis and J. Martinis, “Spectroscopic Signatures of Localization with Interacting Photons in Superconducting Qubits”, Science 358(2017)1175-1179.[2]

 

3. ท่านคิดว่าประเทศไทยควรจะพัฒนาหรือเตรียมการทางด้านการศึกษาอย่างไรเพื่อให้เยาวชนมีความพร้อม และสามารถพัฒนาประเทศด้านควอนตัมเทคโนโลยีให้ทัดเทียมกับต่างประเทศได้

             จิรวัฒน์: ผมคิดว่า ถ้าเด็กๆ ชั้นมัธยมปลายได้ยินเกี่ยวกับควอนตัมเทคโนโลยี จะเป็นไปไม่ได้เลยที่เขาจะไม่สนใจ เพราะเป็นเทคโนโลยีแบบ Sci-Fi ที่สามารถเอามาใช้ได้จริง เราสามารถสื่อสารได้โดยที่ไม่ต้องส่งสัญญาณหากัน เราสามารถคำนวณหลายๆ งานได้พร้อมๆ กันในเวลาเดียวกัน

            ผมคิดว่าน่าจะเป็นเรื่องของการสื่อสารมากกว่าเพื่อให้เด็กๆ เห็นภาพ สร้างแรงบันดาลใจ สร้างความรู้ ความตระหนักให้กับสังคมมากกว่า ให้คนทั่วไปในบ้านเรามีความรู้หรือความเข้าใจที่ถูกต้องเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัมก่อนน่าจะดีกว่า[3]

 

4. ห้องปฏิบัติการวิจัยที่ท่านทำวิจัยอยู่ในต่างประเทศ เขาทุ่มลงทุนทำวิจัยด้านควอนตัมขนาดไหน เขามี vision อย่างไร และเขาอยากเห็นอะไร ถึงลงทุนขนาดนั้น ห้องปฏิบัติการวิจัยที่ท่านอยู่ได้รับงบประมาณสนับสนุนต่อปีเป็นจำนวนเท่าไร มีนักวิจัยจำนวนเท่าใด

              จิรวัฒน์: ผมทำปริญญาเอกอยู่ที่ Centre of Quantum Technology (CQT) ที่สิงคโปร์ งบประมาณในช่วง 10 ปีที่ผ่านมาน่าจะประมาณ 170 ล้านดอลลาร์สิงคโปร์ (ประมาณ 4.1 พันล้านบาท) ที่แล็บของผมซึ่งเป็นทางทฤษฎีก็ใช้จ่ายน้อยกว่าแล็บที่ทำด้านการทดลอง นักศึกษาที่นั่นก็จะได้ค่าใช้จ่ายรายเดือน ค่าใช้จ่ายในการเดินทางไปสัมมนาในต่างประเทศ

             ผมเคยถามหนึ่งในผู้ก่อตั้ง CQT เขาบอกว่าเขาไม่ได้ให้สัญญาอะไรทั้งนั้นตอนที่เขาไปนำเสนอกับรัฐบาล เขาต้องการจะสร้างศูนย์ความเป็นเลิศ (center of excellence) เท่านั้นเอง เป็นศูนย์รวมของผู้เชี่ยวชาญเฉพาะทางเท่านั้นเองที่เขาต้องการ

 

5. ท่านคิดว่าสมบัติใดในทางกลศาสตร์ควอนตัมมีความสำคัญมากกับเทคโนโลยีอนาคต และขอช่วยอธิบายให้คนทั่วไปเข้าใจได้ง่าย

              จิรวัฒน์ผมคิดว่าอาจจะเริ่มอธิบายด้วยการบอกว่าในโลกของอะตอมหรือสิ่งเล็กๆ  มันมีกฎเกณฑ์ทางฟิสิกส์ไม่เหมือนกับโลกที่เราอยู่ในชีวิตประจำวันเท่าไหร่นัก เช่น มีกฎที่เรียกว่า quantum entanglement ที่อนุภาคสองอนุภาคสามารถสื่อสารกันได้โดยที่ไม่ต้องส่งสัญญาณหากัน ถ้าถามว่าจะทำยังไงให้คนทั่วไปเข้าใจ ก็คงจะเป็นไปไม่ได้เพราะเราไม่สามารถเชื่อมโยงเข้ากับชีวิตประจำวันได้ แต่ธรรมชาติมันเป็นอย่างนั้นจริงๆ และสมบัติต่างๆ เหล่านี้เราก็เอามาใช้งานให้เกิดประโยชน์ในชีวิตประจำวันได้

             เกี่ยวกับเทคโนโลยีควอนตัม ผมคิดว่าข่าวและการพัฒนาต่างๆ ทั่วโลกมันไปเร็วมาก เราควรจะจับตาดูว่าการพัฒนารวดเร็วขนาดไหนครับ

 

1. กลศาสตร์ควอนตัมมีประโยชน์อย่างไรในโลกอนาคต และคาดว่าเทคโนโลยีควอนตัม (และ spin-off) จะใช้งานได้จริงเมื่อใดและหากประเทศไทยไม่ทำอะไรสักอย่างกับเรื่องนี้จะพลาดโอกาสหรือเสียประโยชน์อย่างไร

            รัฐกรเมื่อวิสัยทัศน์ของมนุษย์คือ การอยากเห็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ มีขนาดเล็กลงแต่ทำงานได้ดีขึ้น มีความต้องการที่จะตรวจวัดปริมาณต่างๆให้แม่นยำขึ้น เพราะเราเชื่อว่ารายละเอียดเล็กๆ ที่เราไม่เคยเห็นจะทำให้เราเข้าใจสิ่งต่างๆ มากขึ้น เราอยากมีความสามารถที่จะผลิตวัสดุที่มีคุณสมบัติได้ตามต้องการ เราอยากให้การแก้ปัญหาที่ซับซ้อนต่างๆ ทำได้เร็วขึ้น ความต้องการทั้งหมดนี้ผลักดันให้มีการนำแนวคิดจากกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์แขนงหนึ่งที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติในระดับอะตอม มาใช้ในการพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านั้น ความอ่อนไหวของอะตอมต่อการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ ของสภาพแวดล้อมนำไปสู่แนวคิดการสร้างเครื่องมือวัดที่ทั้งเที่ยงตรงและแม่นยำมากกว่าเดิมหลายเท่า หลักการซ้อนทับ (Superposition Principle) ผลักดันให้เกิดการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีความสามารถที่จะคำนวณปัญหาที่ซับซ้อนที่มนุษย์ไม่เคยตอบได้มาก่อน และความพัวพันเชิงควอนตัม (Quantum Entanglement) ก็นำไปสู่การสร้างระบบการสื่อสารที่มีความปลอดภัยที่สูงกว่าเดิม ส่วนตัวมองว่าเทคโนโลยีควอนตัมมีประโยชน์ต่อการพัฒนาในสามด้านหลักๆ คือ  การสื่อสาร การคำนวณ และการตรวจวัด ในระยะสิบปีข้างหน้า เราจะเริ่มเห็นเทคโนโลยี      ควอนตัมเข้าไปมีบทบาทในอุตสาหกรรมการสื่อสารและการตรวจวัดมากขึ้น การใช้งานจริงๆของเทคโนโลยีควอนตัมจะไม่เกิดขึ้นพร้อมกันในทุกสาขา แต่จะเป็นในลักษณะค่อยเป็นค่อยไป สาขาที่ใช้เงินลงทุนน้อยกว่าและมีประโยชน์ชัดเจนจะเกิดการเปลี่ยนแปลงก่อน เช่นสาขาการตรวจวัด การสร้างเครื่องมือวัดอันหนึ่งนั้นใช้เงินลงทุนและเวลาน้อยกว่าการวางระบบการสื่อสารใหม่ทั้งระบบ แต่ระบบสื่อสารและการคำนวณกลับส่งผลต่อชีวิตคนมากกว่า ในระยะเริ่มต้นคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สมบูรณ์รุ่นแรกจะถูกทดสอบร่วมไปกับปัญญาประดิษฐ์ (Artificial Intelligence หรือ AI) และเริ่มมีบริการสู่สาธารณะในรูปแบบของระบบ Cloud Computing ณ จุดนี้ ประเทศที่มีบุคลากรที่มีความรู้และทักษะในการใช้งานเทคโนโลยีควอนตัมจะสามารถเข้าถึง และใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีได้อย่างมีประสิทธิภาพ ระบบการรักษาความปลอดภัยของข้อมูลธนาคารในประเทศมหาอำนาจและสถาบันทางการเงินใหญ่ๆอาจจะเริ่มเปลี่ยนมาใช้การส่งกุญแจรหัสควอนตัม (Quantum Key Distribution) แทนระบบเดิม หากเราไม่มีบุคลากรที่เข้าใจและมีความสามารถในการดูแลระบบ เราก็อาจประสบปัญหาการบริหารข้อมูลทางการเงินและเศรษฐกิจโดยรวม เพราะธนาคารเป็นตัวกลางในการลงทุนข้ามประเทศ

              โดยรวมมองว่าเทคโนโลยีควอนตัมที่ต่างประเทศจะพัฒนาขึ้นและน่าจะส่งผลกระทบโดยตรงกับประเทศไทยคือเทคโนโลยีการสื่อสารและการประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมร่วมกับปัญญาประดิษฐ์ หากเราไม่ลงทุนเพื่อพัฒนาบุคลากรที่มีความรู้ด้านนี้ ประเทศไทยก็จะไม่สามารถปรับตัวให้เข้ากับการเปลี่ยนผ่านได้ทันเวลา

 

2. ถ้าท่านคิดว่าประเทศไทยควรจะเอาจริงเอาจังและลงทุนลงแรงกับเทคโนโลยีควอนตัม ท่านคิดว่าประเทศไทยควรเน้นวิจัยและพัฒนาเรื่องใด (ในเงื่อนไขที่มีงบประมาณจำกัด)

รัฐกรเป้าหมายของการทำวิจัยเพื่อพัฒนาประเทศสามารถเป็นไปได้ในสองทิศทาง ทางหนึ่งคือเพื่อเผยแพร่ผลการค้นคว้าผ่านการตีพิมพ์ผลงานในวารสาร  นั้นคือพัฒนาประเทศในทิศทางที่ทำให้ประเทศได้รับการยอมรับในฐานะผู้มีส่วนร่วมในการสร้างองค์ความรู้ใหม่ให้กับสังคมโลก และทางที่สองคือการมุ่งไปที่การพัฒนาอุปกรณ์ เทคโนโลยี หรือผลิตภัณฑ์ ที่มีคุณค่าทางเศรษฐกิจ คนส่วนใหญ่คาดหวังอย่างที่สองมากกว่า แต่ทั้งสองทิศทางต้องดำเนินไปด้วยกัน เพราะเทคโนโลยีที่จะได้รับการยอมรับมักจะอยู่บนพื้นฐานขององค์ความรู้ที่มาจากงานวิจัยที่ปรากฏในวารสารวิชาการ สำหรับประเทศที่มีงบประมาณจำกัด อยากให้เน้นทั้งสองด้านดังนี้ หนึ่งคือการพัฒนาบุคลากรสำหรับการพัฒนา Quantum Sensors หรืออุปกรณ์รับรู้เชิงควอนตัม ซึ่งมีความเป็นไปได้สูงที่จะสามารถนำไปต่อยอดเป็นเทคโนโลยีเพื่อใช้ในอุตสาหกรรมและการแพทย์ และสองคือพัฒนานักฟิสิกส์เชิงทฤษฏีและวิศวกรเพื่อเตรียมพร้อมกับการมาถึงของคอมพิวเตอร์ควอนตัมและการสื่อสารผ่านการส่งกุญแจรหัสควอนตัม เพราะการใช้งานและการดูแลระบบจำเป็นต้องอาศัยผู้เชี่ยวชาญเฉพาะทาง เหตุที่เน้นทางทฤษฏีก็เพราะว่างบประมาณที่ต้องใช้ในการพัฒนาคนนั้นน้อยกว่าการลงทุนสร้างเทคโนโลยีทั้งสองขึ้นมาเอง

 

3. ท่านคิดว่าประเทศไทยควรจะพัฒนาหรือเตรียมการทางด้านการศึกษาอย่างไรเพื่อให้เยาวชนมีความพร้อม และสามารถพัฒนาประเทศด้านควอนตัมเทคโนโลยีให้ทัดเทียมกับต่างประเทศได้

รัฐกร: คิดว่าอย่างน้อยที่สุดควรมีตำราและสื่อภาษาไทยที่มีเนื้อหาถูกต้องตามหลักสากล โดยมีระดับความยากตั้งแต่สำหรับเด็กเล็กจนถึงระดับผู้สนใจจริงจังเพราะเมื่อเทคโนโลยีเริ่มเข้ามาหรือเริ่มมีบทบาทในสังคมโลก เยาวชนที่สนใจจะสามารถเข้าถึงความรู้และความเข้าใจที่ถูกต้องได้ทันที

 

4. ห้องปฏิบัติการวิจัยที่ท่านทำวิจัยอยู่ในต่างประเทศ เขาทุ่มลงทุนทำวิจัยด้านควอนตัมขนาดไหน เขามี vision อย่างไร และเขาอยากเห็นอะไร ถึงลงทุนขนาดนั้น ห้องปฏิบัติการวิจัยที่ท่านอยู่ได้รับงบประมาณสนับสนุนต่อปีเป็นจำนวนเท่าไร มีนักวิจัยจำนวนเท่าใด

รัฐกร: ผมทำงานที่ Centre for Quantum Technologies ประเทศสิงคโปร์ ที่นั้นมีการลงทุนประมาณห้าพันล้านบาทในระยะสิบปี เขาต้องการสร้างศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ควอนตัม เพื่อให้เป็นศูนย์รวมคนที่มีความรู้และนักวิจัยเพื่อสร้างงานวิจัยที่มีส่วนช่วยในการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัม เฉพาะแล็บที่ผมทำงานอยู่เป็นงานวิจัยเพื่อพัฒนานาฬิกาอะตอมได้งบประมาณสนับสนุนโดยประมาณ 50 ล้านบาท/ปี มีนักวิจัย 3 คนและมีนักศึกษาสองคน

 

5. ท่านคิดว่าสมบัติใดในทางกลศาสตร์ควอนตัมมีความสำคัญมากกับเทคโนโลยีอนาคต และขอช่วยอธิบายให้คนทั่วไปเข้าใจได้ง่าย

รัฐกร: ส่วนตัวมองว่าสมบัติทางกลศาสตร์ควอนตัมที่มีบทบาทในการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคตคือ “ความพัวพันเชิงควอนตัม” กับ “การซ้อนทับเชิงควอนตัม” เพราะว่าสมบัติทั้งสองอย่างเป็นหัวใจสำคัญของการพัฒนาการสื่อสารที่มีความปลอดภัยสูงและคอมพิวเตอร์ควอนตัม และยังเกี่ยวข้องกับการเพิ่มความเที่ยงตรงของเครื่องมือวัดในการตรวจวัดปริมาณทางฟิสิกส์ เช่นการวัดสนามแม่เหล็ก, การวัดสนามไฟฟ้า, การวัดเวลาและการวัดค่าพลังงานของอะตอม

 

เอกสารอ่านประกอบ

  1. Industry Perspectives on Quantum Technologies: http://qcit.committees.comsoc.org/files/2017/05/Industry-perspectives-of-Quantum-Technologies.pdf
  2. ไม่ธรรมดา...นักฟิสิกส์ไทยร่วมพิสูจน์พลังชิปคอมพิวเตอร์ควอนตัมของกูเกิล, MGR Online,เผยแพร่: 9 ธ.ค. 2560, 09:26:00, ปรับปรุง: 9 ธ.ค. 2560, 11:16:00,https://mgronline.com/science/detail/9600000124066
  3. รูป รส กลิ่น เสียง สัมผัส ไอทีควอนตัม (3) “คอมพิวเตอร์เชิงควอนตัม”(ความรู้รอบตัว พ.ศ. 2560) – กรุงเทพฯ: จรัลสนิทวงศ์การพิมพ์, 2560, ISBN: 978-616-440-715-2.