“อะตอมเย็น” จากสสารสถานะที่ 5 สู่การสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์แบบอนาล็อก

หลายคนน่าจะเคยประสบเหตุการณ์ที่อยู่ในที่ทำงานแล้วมีคนบ่นว่าในห้องอากาศเย็นเกินไป ในขณะที่คนที่ชอบอากาศเย็นอาจบอกว่าในห้องร้อนเกินไป จะเห็นว่าความรู้สึกร้อนหรือเย็นนี้ขึ้นกับตัวบุคคล ดังนั้น แทนที่จะบอกว่าสิ่งไหนร้อนหรือสิ่งไหนเย็นซึ่งแต่ละคนอาจจะบอกไม่เหมือนกัน นักวิทยาศาสตร์จะใช้อุณหภูมิเป็นตัวบ่งบอกสภาพความร้อนหรือความเย็นของสิ่งนั้นๆ

ในทางวิทยาศาสตร์ เรานิยามอุณหภูมิมาจากพลังงานจลน์เฉลี่ยของสสาร ซึ่งประกอบด้วยอะตอมจำนวนมาก โดยเมื่อกลุ่มอะตอมได้รับพลังงาน กลุ่มอะตอมจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น แต่เมื่อกลุ่มอะตอมเสียพลังงาน กลุ่มอะตอมจะเคลื่อนที่ช้าลง หากเราทำให้กลุ่มอะตอมเย็นจนมีอุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (ประมาณ -273 องศาเซลเซียส) กลุ่มอะตอมจะมีความเร็วต่ำมากจนเกือบหยุดนิ่ง ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาสมบัติต่างๆ ของกลุ่มอะตอมได้ง่ายขึ้น เปรียบเทียบได้กับการที่หากเรายืนอยู่ข้างถนน หากรถที่วิ่งผ่านเราไปวิ่งเร็วมากๆ เราอาจสังเกตได้แต่สีของรถ แต่หากรถคันดังกล่าววิ่งช้าลง เราอาจสามารถสังเกตเห็นแม้กระทั่งเลขทะเบียนรถหรือจำนวนคนในรถ

อย่างไรก็ตาม การทำให้อะตอมเย็นจนเข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์นั้นไม่ได้ตรงไปตรงมาเหมือนกับการทำความเย็นที่เราคุ้นเคยกันในชีวิตประจำวัน ตู้เย็นหรือแม้กระทั่งระบบหล่อเย็นที่ใช้ไนโตรเจนเหลว (-196 องศาเซลเซียส) หรือฮีเลียมเหลว (-269 องศาเซลเซียส) ซึ่งถูกใช้ในการทำความเย็นกล้องโทรทรรศน์ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ หรือใช้หล่อเย็นระบบแม่เหล็กสำหรับเครื่องสร้างภาพด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) ที่ใช้ในโรงพยาบาล ก็ยังไม่เพียงพอที่จะทำให้กลุ่มอะตอมเย็นจนเข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้ ปรากฏว่าวิธีที่ไม่น่าจะเป็นไปได้แต่ทำให้อะตอมเย็นลงได้คือการใช้เลเซอร์ในการทำความเย็นอะตอม โดย ดร.สตีเฟน ชู ดร.คลอว์ด โคเฮน-ทานนุดจิ และ ดร.วิลเลียม ฟิลิปส์ นักวิทยาศาสตร์ที่คิดค้นและพัฒนาวิธีการดังกล่าวได้รับรางวัลโนเบลในปีค.ศ. 1997 ^[1]

การใช้เลเซอร์ทำความเย็นอะตอมร่วมกับการใช้สนามแม่เหล็กนี้สามารถทำให้กลุ่มอะตอมเย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิห้องหลายล้านเท่า เทคนิคดังกล่าวได้ถูกพัฒนาและนำไปสู่การค้นพบสถานะใหม่ของสสารซึ่งไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนในธรรมชาติที่เรียกว่าสถานะควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์ (Bose-Einstein Condensate) โดยกลุ่มอะตอมได้ถูกลดความเร็ว จนกระทั่งอะตอมทุกตัวอยู่ในสถานะทางควอนตัมที่ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สามารถกล่าวได้ว่ากลุ่มอะตอมถูกทำให้ “เย็นที่สุดในจักรวาล” ความพิเศษของกลุ่มอะตอมในสถานะนี้คืออะตอมทุกตัวจะประพฤติตัวเสมือนว่าเป็นอะตอมตัวเดียวกัน ซึ่งสสารในสถานะควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์นี้ ได้ถูกเรียกว่าเป็นสถานะที่ 5 ถัดมาจากสสารสี่สถานะแรก อันประกอบไปด้วย ของแข็ง ของเหลว แก๊ส และพลาสมา โดยดร.เอริค คอร์แนล ดร.โวล์ฟกัง เคทเทอร์เลอ และ ดร.คาร์ล ไวแมน นักวิทยาศาสตร์ผู้ที่สามารถสร้างสสารในสถานะดังกล่าวได้เป็นกลุ่มแรกๆ ของโลก และได้รับรางวัลโนเบลในปีค.ศ. 2001 ^[2]

ต่อมา นักวิทยาศาสตร์ยังได้พัฒนาระบบกล้องจุลทรรศน์แบบพิเศษ จนสามารถถ่ายรูปอะตอมเย็นเดี่ยวได้สำเร็จ และยังสามารถจัดเรียงอะตอมเย็นแต่ละตัวให้อยู่ในตำแหน่งที่ต้องการโดยใช้เลเซอร์กำลังสูงที่ทำหน้าที่เหมือนคีมคีบอะตอมไปวาง ณ ตำแหน่งต่างๆ ^[3-4] ระบบดังกล่าวสามารถนำไปใช้สร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์แบบอนาล็อก เพื่อใช้จำลองสถานการณ์เชิงควอนตัม (quantum simulation) ของสสาร ^[5-6] ยกตัวอย่างเช่น หากเราต้องการศึกษาสมบัติของสารแม่เหล็ก แทนที่เราจะสังเคราะห์สารขึ้นมา เราก็ทำการจัดเรียงอะตอมเย็นให้มีคุณสมบัติเหมือนสารที่เราต้องการศึกษา วิธีนี้จะทลายข้อจำกัดที่อาจเกิดขึ้นจากสังเคราะห์สาร เช่น การเกิดความบกพร่องของผลึกหรือการเจือปนจากสารที่ไม่ต้องการ นอกจากนี้ ระบบอะตอมเย็นดังกล่าวยังสามารถใช้จำลองคุณสมบัติของสสารหรือการเปลี่ยนสถานะทางควอนตัมของสสารที่มีการคาดการณ์ว่าเกิดขึ้นได้ในทางทฤษฎีแต่ยังไม่สามารถถูกสังเคราะห์ได้

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมอะตอมเย็นตลอดจนการพัฒนาอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง ทำให้จากเดิมที่การเตรียมอะตอมเย็นต้องใช้ระบบสุญญากาศขนาดใหญ่ได้ถูกลดรูปให้อยู่ในกระเปาะแก้ว ทำให้ชุดทดลองสามารถนำไปใช้ภายนอกห้องปฏิบัติการได้ โดยล่าสุดได้มีการนำชุดทดลองที่ใช้เตรียมสสารในสถานะควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์ขึ้นสู่สถานีอวกาศนานาชาติ ^[7-8] เพื่อที่จะได้นำระบบดังกล่าวไปศึกษาปรากฏการณ์ทางควอนตัมฟิสิกส์ หลักความสมมูลของไอน์สไตน์ รวมไปถึงการศึกษาคลื่นความโน้มถ่วง (gravitational wave) สสารมืด และพลังงานมืด ต่อไป

จะเห็นได้ว่าการศึกษาอะตอมเย็นนั้น นอกจากช่วยให้เราเข้าใจวิทยาศาสตร์พื้นฐานทั้งในเรื่องกลศาสตร์สถิติและกลศาสตร์ควอนตัมแล้ว การที่เราสามารถใช้อะตอมในการจำลองสถานการณ์ต่างๆ แทนที่จะใช้การคำนวณปกติ จะทำให้เราสามารถใช้ระบบดังกล่าวในการสร้างสถานการณ์ที่ซับซ้อนที่ไม่สามารถทำได้โดยง่ายในการทดลองจริง เช่น การจำลองปฏิกิริยาทางเคมีซึ่งปกติมักเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วให้เกิดขึ้นช้าลงจนสามารถมองเห็นความเป็นไประหว่างการเกิดปฏิกิริยา ^[8] หรือการศึกษาการส่งผ่านพลังงานระหว่างอะตอมเย็นซึ่งจะนำไปสู่การประยุกต์ใช้สำหรับการสร้างสารกึ่งตัวนำหรือแม้กระทั่งใช้ในการศึกษาการสังเคราะห์แสงของพืช ^[9] ในอนาคต เทคโนโลยีและความรู้ที่ได้จากการศึกษาอะตอมเย็นอาจนำไปสู่การพัฒนายาใหม่ๆ สำหรับรักษาโรค หรือแม้กระทั่งการพัฒนาสสารชนิดใหม่ที่มีสมบัติตามต้องการสำหรับใช้ในวงการอุตสาหกรรม ซึ่งจะเป็นการก้าวข้ามขีดจำกัดของเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบัน

ในชีวิตประจำวัน ผลของการที่สสารมีความร้อนหรือความเย็นไม่เท่ากัน ทำให้สสารมีสถานะแตกต่างกันไป สสารสี่สถานะที่เราพบเจอในชีวิตประจำวันได้แก่ ของแข็ง ของเหลว แก๊ส และพลาสม่า (ในกรณีพลาสม่า ให้นึกภาพกลุ่มแก๊สของอนุภาคมีประจุที่ลอยไปลอยมา ซึ่งอาจเกิดจากความร้อนสูงจนกระทั่งแก๊สไม่สามารถคงสถานะเดิมได้ เช่น บนดวงอาทิตย์ หรืออาจเกิดจากการสร้างโดยมนุษย์ เช่น หลอดฟลูออเรสเซนต์ หรือทีวีพลาสม่า)

อ้างอิง

• [1] The Nobel Prize in Physics 1997. NobelPrize.org. https://bit.ly/3uIMRxR
• [2] The Nobel Prize in Physics 2001. NobelPrize.org. https://bit.ly/3i5HNAS
• [3] Bloch, I., Dalibard, J. & Nascimbène, S. Quantum simulations with ultracold quantum gases. Nature Phys 8, 267–276 (2012). https://bit.ly/2SSDMF6
• [4] Barredo, D., Lienhard, V., de Léséleuc, S. et al. Synthetic three-dimensional atomic structures assembled atom by atom. Nature 561, 79–82 (2018). https://bit.ly/34HqMVA
• [5] Bernien, H., Schwartz, S., Keesling, A. et al. Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator. Nature 551, 579–584 (2017). https://bit.ly/3wOS8Fp
• [6] Mazurenko, A., Chiu, C., Ji, G. et al. A cold-atom Fermi–Hubbard antiferromagnet. Nature 545, 462–466 (2017). https://bit.ly/3yWXuQD
• [7] Aveline, D.C., Williams, J.R., Elliott, E.R. et al. Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab. Nature 582, 193–197 (2020).
• [8] M.-G. Hu, Y. Liu, D. D. Grimes, Y.-W. Lin, A. H. Gheorghe, R. Vexiau, N. Bouloufa-Maafa, O. Dulieu, T. Rosenband, K.-K. Ni, Direct observation of bimolecular reactions of ultracold KRb molecules, Science 366, 1111-1115 (2019). https://bit.ly/2TBqrld
• [9] G. Günter, H. Schempp, M. Robert-De-Saint-Vincent, V. Gavryusev, S. Helmrich, C. S. Hofmann, S. Whitlock, M. Weidemüller, Observing the Dynamics of Dipole-Mediated Energy Transport by Interaction-Enhanced Imaging, Science 342, 954-956 (2013). https://bit.ly/3vKMGDt