นักวิจัยมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดของสหรัฐฯ วัดการกระโดดเชิงควอนตัมของเสียงได้แบบเรียลไทม์เป็นครั้งแรก

นักวิจัยมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดของสหรัฐฯ วัดการกระโดดเชิงควอนตัมของเสียงได้แบบเรียลไทม์เป็นครั้งแรก ความสำเร็จนี้เปิดทิศทางใหม่ให้กับการสำรวจทางวิทยาศาสตร์ และอาจนำไปประยุกต์ใช้กับคอมพิวเตอร์ควอนตัมและเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ได้ทันที โดยการกระโดดเชิงควอนตัมคือการเปลี่ยนสถานะพลังงานของระบบควอนตัมอย่างฉับพลัน แนวคิดเรื่องการกระโดดเชิงควอนตัมมีมานานกว่าหนึ่งร้อยปีแล้ว โดยนักฟิสิกส์ทฤษฎีนีลส์ บอห์ร (Niels Bohr) เสนอแนวคิดนี้เป็นครั้งแรกในปี 1913 จนกระทั่งปี 1986 นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเกตการกระโดดเชิงควอนตัมในไอออนที่ถูกกักขังได้เป็นครั้งแรก จากนั้นในปี 2007 ก็สามารถสังเกตการกระโดดเชิงควอนตัมในโฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคพื้นฐานของแสงได้

การสังเกตการกระโดดเชิงควอนตัมของเสียงเป็นครั้งแรก

เกือบยี่สิบปีต่อมา ทีมนักวิทยาศาสตร์ภายใต้การนำของอามีร์ ซาฟาวี-นาอีนี (Amir Safavi-Naeini) นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด สามารถสังเกตการกระโดดเชิงควอนตัมในโฟนอน ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานของเสียงได้ เพื่ออธิบายการค้นพบของพวกเขา ซาฟาวี-นาอีนีได้ยกตัวอย่างเสียงระฆังที่ถูกเคาะ ซึ่งเสียงจะค่อยๆ เบาลงตามเวลา ไม่ได้หายไปทันที อย่างไรก็ตาม ในระดับควอนตัม การลดลงเหล่านี้เกิดขึ้นในลักษณะของการกระโดด ซึ่งทีมของซาฟาวี-นาอีนีสามารถวัดการกระโดดเหล่านี้ได้แบบเรียลไทม์ ซึ่งเป็นความสำเร็จที่ไม่เคยมีมาก่อน แล้วพวกเขาวัดได้อย่างไร? เพื่อทำการวัดนี้ นักวิจัยได้สร้างตัวสั่นพ้องเชิงกลที่มีขนาดเทียบเท่ากับชิปคอมพิวเตอร์

ขนาดเล็กของตัวสั่นพ้องนี้ทำให้สามารถวางหน่วยหลายๆ ตัวลงบนชิปเดียวได้ ตัวสั่นพ้องนี้ทำงานคล้ายกับส้อมเสียงที่จะส่งเสียงก้องเมื่อถูกกระทบ อย่างไรก็ตาม ตัวสั่นพ้องที่นักวิจัยออกแบบมีเวลา "ก้อง" เพียง 2 มิลลิวินาที แม้จะฟังดูน้อยมาก แต่ในระดับจุลภาคที่ตัวสั่นพ้องนี้ทำงาน มันเทียบเท่ากับส้อมเสียงที่สั่นสะเทือนอยู่นานหลายชั่วโมง ด้วยเหตุนี้ เวลาการสั่นพ้องที่ยาวนานหรือ "เวลาการสลาย" ของตัวสั่นพ้องนี้ จึงทำให้นักวิจัยสามารถอ่านค่าได้หลายร้อยครั้ง และระบุช่วงเวลาที่แม่นยำที่การสั่นสะเทือนเปลี่ยนจาก 1 เป็น 0 หรือเกิดการกระโดดเชิงควอนตัมได้

ความท้าทายและแนวทางแก้ไข

ความท้าทายและแนวทางแก้ไข ความท้าทายหลักประการหนึ่งในการศึกษาระบบควอนตัมคือการดึงสัญญาณออกมาโดยไม่รบกวนสถานะที่เปราะบางของมัน ทีมวิจัยของสแตนฟอร์ดพบวิธีจับคู่ตัวสั่นพ้องกับคิวบิตตัวนำยวดยิ่ง (superconducting qubit) เพื่อให้ทำหน้าที่เป็นตัวตรวจจับ คิวบิตที่จับคู่กันนี้ทำให้นักวิจัยสามารถตรวจจับช่วงเวลาที่แน่นอนที่การกระโดดเชิงควอนตัมเกิดขึ้นได้แบบเรียลไทม์ นอกจากความสามารถในการตรวจจับการกระโดดเชิงควอนตัมแบบเรียลไทม์แล้ว งานวิจัยนี้ยังวางรากฐานสำหรับการพัฒนาควอนตัมในอนาคตอีกมากมาย ตัวอย่างเช่น ในคอมพิวเตอร์ควอนตัม สถานะควอนตัมที่เปราะบางอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดก่อนที่การคำนวณจะเสร็จสมบูรณ์

การกระโดดเชิงควอนตัมเหล่านี้ถือเป็นข้อผิดพลาด แต่การระบุเวลาที่แน่นอนที่เกิดขึ้นนั้นทำได้ยากมาโดยตลอด ความสามารถในการตรวจจับการกระโดดเชิงควอนตัมอาจเปลี่ยนแปลงได้ในเร็วๆ นี้ การจับคู่ตัวสั่นพ้องระดับจุลภาคกับคิวบิตยังสามารถนำไปใช้ในการตรวจวัดที่แม่นยำได้ ซึ่งซาฟาวี-นาอีนีและทีมได้ร่วมมือกับนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย (Caltech) ในการตรวจจับและระบุโปรตีนในเซลล์แล้ว เนื่องจากเสียงมีความสำคัญต่ออุปกรณ์สมัยใหม่มากมาย เช่น สมาร์ตโฟน จึงอาจมีการประยุกต์ใช้งานในด้านเหล่านี้เช่นกัน ซาฟาวี-นาอีนีกล่าวในข่าวประชาสัมพันธ์ว่า "เราได้เห็นแล้วว่าวัตถุที่สั่นสะเทือนสามารถแสดงพฤติกรรมเชิงควอนตัมได้ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญเบื้องต้นสำหรับการทำงานหลายอย่างที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมและเซ็นเซอร์ต้องการ

สิ่งที่งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นจะช่วยให้เราสามารถผลักดันการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมรูปแบบใหม่ที่เกี่ยวข้องกับเสียง" ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science

ผลกระทบของการตรวจจับการกระโดดเชิงควอนตัมต่อเทคโนโลยี

การตรวจจับการกระโดดเชิงควอนตัมของเสียงถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญของเทคโนโลยีควอนตัม ซึ่งไม่เพียงแต่ผลักดันการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม แต่ยังอาจเปลี่ยนแปลงการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเซ็นเซอร์อีกด้วย ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการตรวจจับช่วงเวลาที่เกิดการกระโดดเชิงควอนตัมแบบเรียลไทม์โดยไม่รบกวนสถานะควอนตัม ด้วยตัวสั่นพ้องที่ออกแบบอย่างสร้างสรรค์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีควอนตัมในอนาคต เมื่อเทคโนโลยีควอนตัมก้าวหน้ามากขึ้น อาจมีการประยุกต์ใช้งานที่เกี่ยวข้องกับเสียงเพิ่มมากขึ้น เพื่อขยายขอบเขตของเทคโนโลยีให้กว้างขวางยิ่งขึ้น