จากบทความเรื่อง การพัฒนาหน่วยเก็บข้อมูลของควอนตัมคอมพิวเตอร์ (Qubits) เราได้พูดคุยเรื่องพื้นฐานคร่าว ๆ ของ qubits ที่เป็นหัวใจหลักในเรื่องการเก็บข้อมูลของควอนตัมคอมพิวเตอร์และสิ่งท้าทายในการสร้าง qubits คือความพยายามใส่คุณสมบัติ linear superposition และ quantum entanglement ซึ่งแน่นอนว่า คอมพิวเตอร์ทั่วไปที่เราใช้งานกันตอนนี้ไม่ได้มีคุณสมบัติเหล่านี้ใน bit แน่นอน
วันนี้เราจะมาพูดกันว่ามีตัวเลือกอะไรบ้างที่สามารถถูกนำมาประยุกต์ใช้เป็น qubits โดยแบ่งเป็น 3 อันดังนี้
- เทคนิคการใช้ superconductor มาทำ qubits
- เทคนิคการสร้างจุดด่างพร้อยในโมเลกุลเพื่อสร้าง qubits
- เทคนิคการผสมเล่นแร่แปรธาตุ

ที่มา VectorMine / Dreamtime
เทคนิคการใช้ superconductor มาทำ qubits
แทบจะไม่มีเทคโนโลยีใหม่ในโลกอันไหนที่ปฏิเสธการใช้ Superconductor หรือ สารตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด เลยแม้แต่น้อย เนื่องจากความต้านทานทางไฟฟ้าที่ลดฮวบและการกีดกันสนามแม่เหล็กออกจากตัวสสาร ทำให้การส่งข้อมูลผ่านอิเล็กตรอนทำได้อย่างรวดเร็วและลดการสูญเสียข้อมูลได้อีกด้วย
วิธีการสร้าง qubits จาก superconductor จะทำโดยการนำฉนวนทางไฟฟ้ามาคั่นกลางระหว่าง superconductors คล้ายกับ sandwich เราเรียกเทคนิคนี้ว่า Josephson junction ซึ่งเทคนิคนี้สามารถสร้างคู่อิเล็กตรอนจากสองฟากของ superconductors และยังมีคุณสมบัติ quantum entanglement ได้อีกด้วย นอกจากนี้คู่อิเล็กตรอนดังกล่าวยังสามารถไหลได้อย่างอิสระโดยไม่สูญเสียพลังงาน และไม่ถูกการรบกวนจากสนามแม่เหล็กภายนอกอีกด้วย โดยหนึ่งในอุปสรรคของการคงสภาพระบบนี้คืออุณหภูมิที่ต้องต่ำมาก ๆ เกือบจะถึง 0 เคลวิน (แม้ว่าตอนนี้จะมีความพยายามในการสร้าง superconductor ที่อุณหภูมิห้องก็ตาม แต่เราจะยังไม่ได้พูดถึงในบทความนี้นะครับ)

โดย ตำแหน่ง A และ B คือ superconductors
ในขณะที่บริเวณบางๆ เล็กๆ ที่คั่นกลางในตำแหน่ง C คือฉนวนทางไฟฟ้านั่นเอง
ที่มา Wikipedia
เพื่อที่จะผลักดันเทคนิคจาก Josephson junction ให้มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้น มีความพยายามในการลดความหนาของฉนวนทางไฟฟ้าระหว่าง superconductors ให้บางที่สุดเท่าที่จะบางได้ เพื่อทำการเพิ่ม coherent time ของ qubits หรือ ช่วงเวลาที่อิเล็กตรอนสองตัวยังคงอยู่ในสภาพ quantum entanglement กันนั่นเอง เพราะสภาพ quantum entanglement ไม่ได้อยู่คงทนถาวรดังนั้นเราต้องมั่นใจว่าช่วงเวลาที่มันใช้คำนวณคำตอบให้เราจะอยู่ภายใต้ขอบเขตของ coherent time นั่นเอง หลายคนคงจะสงสัยว่าเดี๋ยวนะ เราจะลดความหนาของฉนวนทางไฟฟ้าไปทำไมเนี่ย ก็เอามันออกไปเลย จะได้ไม่ต้องมาคิดว่าทำอย่างไรให้บาง ประเด็นคือถ้าไม่มีมันเลย เราจะไม่สามารถควบคุมคู่อิเล็กตรอนที่อยู่ในสภาพ quantum entanglement ได้ ดังนั้นต่อให้มันคำนวณอะไรให้เรา เราจะไม่สามารถเข้าถึงข้อมูลได้เลย ณ ตอนนี้มีการสร้างตัวประมวลผล 8-qubit ออกมาเป็นชิ้นเป็นอันได้แล้วโดยสามารถเข้าไปศึกษาต่อกันได้ใน เว็บไซต์ของมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์
เทคนิคการสร้างจุดด่างพร้อยในโมเลกุลเพื่อสร้าง qubits
ทีนี้เรามาดูเทคนิคที่สองที่จะนำเสนอในวันนี้กันนะครับ จะเป็นเทคนิคที่ใช้กันมานานแล้วในการสร้างวัสดุใหม่ ๆ ออกมา นั่นก็คือการสร้างจุดด่างพร้อยในโมเลกุลนั่นเอง โดยจะเป็นการทำให้อะตอมบางส่วนหายไปจากโครงสร้างโมเลกุลหลัก ในคนที่เรียนสายวิทย์ได้เรียนเทคนิคที่ใกล้เคียงกับอันนี้ที่เรียกว่า การเจือวัสดุในสารกึ่งตัวนำ การเจือธาตุหมู่ 4 ด้วยธาตุหมู่ 3 ทำให้เกิดเป็น p-type (อิเล็กตรอนของธาตุกึ่งตัวนำหายไปหนึ่งตัวทำให้เกิด hole โดยนับว่าเป็นประจุบวก) และ การเจือธาตุหมู่ 4 ด้วยธาตุหมู่ 5 ทำให้เกิดเป็น n-type (มีอิเล็กตรอนเกินมาหนึ่งตัว) มีการนำ p-type และ n-type ไปประยุกต์ใช้ในการสร้าง microchip, แผงโซล่าเซลล์, LED เป็นต้น
ข้อดีของการสร้างจุดด่างพร้อยในโมเลกุลทำให้เกิดช่องว่างซึ่งส่งผลกระทบต่อการไหลของอิเล็กตอนในโครงสร้าง และด้วยโครงสร้างของสารบางชนิดจะทำให้เกิดการกักขังอิเล็กตรอนขึ้นมา ทำให้เราสามารถเข้าควบคุมค่าสปินซึ่งเป็นหนึ่งในคุณสมบัติทางควอนตัมของอิเล็กตรอนที่จะสร้าง qubit ขึ้นมานั่นเอง โดยเทคนิคนี้ไม่ต้องพึ่งพาการลดอุณหภูมิให้ต่ำมาก ๆ เหมือนกับเทคนิคของ superconductors เลย
ในช่วงเริ่มต้นก็ได้มีการเอาเพชรมาเป็นโครงสร้างหลัก เพราะเราทราบดีว่าภายในโครงสร้างเพชรมีการจัดเรียงของธาตุคาร์บอนที่มีความเป็นระเบียบสูงมาก ดังนั้นการสร้างรอยตำหนิย่อมส่งผลต่อการไหลของอิเล็กตรอนเป็นอย่างสูง มีการแทนที่อะตอมของคาร์บอนด้วยไนโตรเจน ซึ่งประสบความสำเร็จในการสร้าง qubits ที่มีค่า coherent time สูง (ประมาณ 1 มิลลิวินาที) และง่ายในการเกิด quantum entanglement ผมว่าทุกคนคงจะทราบว่าทำไมมันยังไม่ถูกนำออกมาในตลาด คนคงเลือกจะใส่เพชรที่นิ้วมือมากกว่าใส่ในควอนตัมคอมพิวเตอร์ ใช่ครับ เพราะมันแพงนั่นเอง

ภาพล่างซ้าย คือ รูปแบบการวางตัวสปินที่เป็น linear superposition ระหว่าง 0 กับ 1
ภาพขวา คือ ภาพของโครงสร้างที่ถูกเจือด้วยไนโตรเจนบนเพชร จะเห็นได้ว่ามีความเป็นระเบียบสูงแต่ต้นทุนแพงมาก
ที่มา กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา
ต่อมาจึงได้มีความพยายามในการหาวัสดุอื่นที่สามารถจะทำได้ในเชิงการค้า โดยการเจือไนโตรเจนในอลูมิเนียม (อ่านเพิ่มเติมได้ ที่นี่) และการเจือคาร์บอนในซิลิคอน (อยู่ในอุตสาหกรรมการผลิต LED และอุปกรณ์อิเล็กโทรนิคต่าง ๆ อ่านเพิ่มเติมได้ ที่นี่) ก็พอที่จะสามารถสร้าง qubits ที่มี coherent time มากพอจะทำควอนตัมคอมพิวเตอร์ได้จริงแม้จะยังน้อยกว่าการเจือไนโตรเจนบนเพชรถึงห้าเท่า แต่ที่สำคัญคือเราสามารถควบคุมค่าสปินของอิเล็กตรอนได้ค่อนข้างมีประสิทธิภาพ
เทคนิคการผสมเล่นแร่แปรธาตุ
เทคนิคนี้คือการยำธาตุที่คิดว่าน่าจะมีความเป็นไปได้ในการสร้าง qubits เข้าด้วยกัน ในภาษาเกมเมอร์ ต้องเรียกว่าวิธีนี้เป็นวิธีนอกเมต้าสุด ๆ แต่ใครจะรู้การผสมมั่ว ๆ เชิงฟิสิกส์อาจจะนำไปสู่ เมต้าใหม่ก็ได้

ที่มา American Chemical Society Publications
อะตอมแต่ละชนิดมีการจัดระเบียบอิเล็กตรอนไม่เหมือนกัน ทำให้คุณสมบัติทางแม่เหล็กต่างกัน ส่งผลต่อการวางตัวของสปินในอะตอม และหากเราไม่สามารถเข้าควบคุมการวางตัวของสปินได้ก็ยากที่จะทำให้เกิดสภาวะ quantum entanglement ขึ้นมา แต่ด้วยการลองผิดลองถูกโดยผสมธาตุ vanadium ลงไปทำให้มี coherent time ที่ดีที่สุดอยู่ที่ 1 มิลลิวินาที ซึ่งเทียบเท่ากับการเจือไนโตรเจนบนเพชรเลยนะ (อ่านเพิ่มเติมได้ ที่นี่) แต่ยังประสบปัญหาการบังคับทิศทางการวางตัวของสปินซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้มีการลด coherent time ในหลาย ๆ ตัวอย่างการทดลอง
พูดคุยกันท้ายบทความ
เท่าที่เราทำได้ coherent time อาจจะไม่เยอะในมุมมองของเรา แน่นอนว่าไม่สามารถเก็บข้อมูลระยะยาวได้แน่ ๆ แต่ลองคิดดูว่าคอมพิวเตอร์ทำอะไรได้บ้างใน 1 มิลลิวินาที มันมหาศาลนะ แล้วยิ่งเป็นควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงในการแก้ปัญหาเฉพาะทาง ในฐานะนักฟิสิกส์ก็จะขอมาแลกเปลี่ยนเรื่องราวแปลก ๆ แบบนี้ไปเรื่อย ๆ หวังว่าจะชอบกันนะครับ หากใครมีเรื่องราวทางฟิสิกส์หรือวิทยาศาสตร์ด้านต่าง ๆ ที่อยากจะถามหรืออยากแชร์ ก็ส่งกันเข้ามาได้เรื่อย ๆ แล้วพวกเราจะไปหาความรู้มาเล่าให้ท่านได้อ่านต่อในเพจ The Principia กันครับ