นักฟิสิกส์สร้างคิวบิตแอนติแมตเตอร์เป็นครั้งแรก เผยโลกควอนตัมที่แปลกยิ่งกว่าเดิม

ถ้านักอ่านติดตามข่าวฟิสิกส์แปลก ๆ จากเรา คงยังจำ ความก้าวหน้าครั้งสำคัญ จาก CERN เมื่อไม่นานมานี้ได้ โดยที่นี่เพิ่งไขความลับบางอย่างเกี่ยวกับแอนติแมตเตอร์ — หรือที่อาจเรียกได้ว่าเป็นตัวตนตรงข้ามของสสารที่เรารู้จัก คำถามสำคัญในวงการฟิสิกส์คือ ทำไมจักรวาลของเราถึงเต็มไปด้วยสสาร ไม่ใช่แอนติแมตเตอร์? ทั้งที่ทฤษฎีทำนายว่าทั้งสองควรปรากฏในปริมาณเท่ากัน นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามไขปริศนานี้มานานหลายทศวรรษ

นักฟิสิกส์สร้างคิวบิตแอนติแมตเตอร์เป็นครั้งแรก

และตอนนี้ CERN ประกาศความสำเร็จอีกครั้ง — แต่คราวนี้ พวกเขาไม่ได้แค่เข้าใจแอนติแมตเตอร์มากขึ้นเท่านั้น แต่ได้ก้าวเข้าสู่วงการคอมพิวเตอร์ควอนตัมอย่างเต็มตัว โดยในงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 23 กรกฎาคม ทีมความร่วมมือ BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) เผยถึงการสร้าง คิวบิตแอนติแมตเตอร์ ที่เป็นครั้งแรกของโลก — หน่วยข้อมูลขั้นพื้นฐานสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้แอนติแมตเตอร์

คิวบิตที่ว่าคือ แอนติโปรตอน — อนุภาคแอนติแมตเตอร์ที่ตรงข้ามกับโปรตอน — ซึ่งถูกจับอยู่ในสถานะควอนตัมพิเศษที่แกว่งสลับไปมาอย่างต่อเนื่องระหว่าง “สปินขึ้น” และ “สปินลง” ด้วยจังหวะที่แม่นยำและเสถียร จุดที่น่าทึ่งคือ สถานะการแกว่งนี้อยู่ได้นานถึง 50 วินาที — เป็นเวลานานมากสำหรับระบบที่เปราะบางอย่างสภาวะควอนตัม

เทคโนโลยีสุดล้ำหลังความสำเร็จ

การทดลองนี้ใช้เทคนิคที่เรียกว่า การสเปกโทรสโกปีการเปลี่ยนสถานะควอนตัมอย่างสอดคล้อง (coherent quantum transition spectroscopy) เพื่อวัดโมเมนต์แม่เหล็กของอนุภาค (magnetic moment) ด้วยความแม่นยำระดับสูง ทีมงานนำแอนติโปรตอนมาจาก โรงงานผลิตแอนติแมตเตอร์ของ CERN แล้วจับไว้ในกับดักแม่เหล็กไฟฟ้าชนิด Penning trap ก่อนจะใช้กับดักย่อยเพื่อดึงแอนติโปรตอนแต่ละตัวออกมาปรับแต่งและวัดสปินของมัน

หนึ่งในความท้าทายใหญ่ที่สุดของการทำงานกับควอนตัมก็คือ เดโคเฮอเรนซ์ (decoherence) — ปรากฏการณ์ที่ระบบควอนตัมสูญเสียข้อมูลเมื่อถูกรบกวนจากภายนอก ซึ่งเคยเป็นอุปสรรคสำคัญสำหรับทีม BASE มาก่อน แต่ในปี 2017 ทีมนี้ก็เคยใช้เทคนิคคล้ายกันเพื่อยืนยันว่า โปรตอนและแอนติโปรตอนมีโมเมนต์แม่เหล็กที่เกือบเหมือนกันทุกประการ

แต่ครั้งนี้ พวกเขาได้ปรับปรุงเทคโนโลยีอย่างจริงจัง โดยเฉพาะระบบป้องกันการรบกวน เพื่อลดเดโคเฮอเรนซ์ให้ต่ำที่สุด ผลคือได้เห็นพฤติกรรมของคิวบิตแอนติแมตเตอร์ที่เสถียรเป็นครั้งแรกในอนุภาคเดี่ยว — ไม่ใช่กลุ่มใหญ่ ๆ แบบที่เคยมีในอดีต

“นี่ถือเป็น คิวบิตแอนติแมตเตอร์ ตัวแรกของโลก และเปิดทางให้เราใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปีขั้นสูงเพื่อศึกษาสสารและแอนติแมตเตอร์อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น” สเตฟาน อูลเมอร์ หัวหน้าทีม BASE กล่าว

อย่างไรก็ตาม ทีมไม่ได้หวังว่าจะเห็นแอนติแมตเตอร์ในคอมพิวเตอร์เร็ว ๆ นี้ ซึ่งตามคำอธิบายของ Latacz “การผลิตและจัดเก็บแอนติแมตเตอร์นั้นยากและซับซ้อนมากเมื่อเทียบกับสสารปกติ การใช้มันในคอมพิวเตอร์จึงไม่คุ้มค่าในตอนนี้” เว้นแต่จะพบข้อแตกต่างระหว่างสสารกับแอนติแมตเตอร์ ซึ่งอาจเปลี่ยนทุกอย่าง

แผนต่อไปคือการอัปเกรดระบบเป็น BASE-STEP ซึ่งจะช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวัดโมเมนต์แม่เหล็กของแอนติโปรตอนได้มากกว่าเดิม 10 เท่า หรือแม้แต่ 100 เท่าในอนาคต

ย้อนกลับมาที่ความหมายของ คิวบิตแอนติแมตเตอร์ เช่นนี้อาจไม่ได้มาเปลี่ยนวงการเทคโนโลยีในข้ามคืน แต่มันคือ “ชิ้นส่วนสำคัญ” ของปริศนาใหญ่ที่นักฟิสิกส์กำลังไข อย่างที่นักฟิสิกส์ชื่อดังอย่าง เชน แคร์โรลล์ เคยพูดไว้ “มันอาจดูเล็กน้อย แต่ทุกชิ้นส่วนคือกุญแจสำคัญ”

บทสรุป: ความก้าวนี้ไม่ใช่แค่โชว์ศักยภาพของมนุษย์ แต่คือการเปิดประตูสู่คำถามเชิงลึกเกี่ยวกับธรรมชาติของจักรวาล หากวันหนึ่งเราพบว่าแอนติแมตเตอร์มีพฤติกรรมต่างจากสสาร แม้เพียงเล็กน้อย — อาจพลิกโฉมทฤษฎีฟิสิกส์ทั้งหมด การติดตามงานวิจัยจาก CERN จึงไม่ใช่แค่เรื่องวิทยาศาสตร์ แต่คือการรับรู้จุดเริ่มต้นของความเปลี่ยนแปลง