จีนทำลายสถิติโลก! สร้าง ‘ควอนตัมพัวพัน’ ข้ามใยแก้ว 420 กม. ก้าวสำคัญสู่อินเทอร์เน็ตควอนตัมข้ามเมือง

ผลงานชิ้นนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters ในฐานะ ‘Editors’ Suggestion’ และเผยแพร่ครั้งแรกบน arXiv ซึ่งนับเป็นก้าวสำคัญที่เปลี่ยนโฉมเครือข่ายควอนตัมจากขนาดมหานครสู่ระดับเชื่อมต่อระหว่างเมือง

การทดลองทำงานอย่างไร

ระบบทดลองประกอบด้วยโหนดควอนตัมเมมโมรี่สองจุด ซึ่งตั้งชื่อเล่นว่า ‘อลิซ’ (Alice) และ ‘บ็อบ’ (Bob) โดยมีโหนดตรวจวัดตรงกลางชื่อ ‘ชาร์ลี’ (Charlie) ควอนตัมเมมโมรี่แต่ละจุดคือกลุ่มอะตอมของรูบิเดียม-87 (rubidium-87 atoms) ที่ถูกทำให้เย็นจัดและกักไว้ด้วยเลเซอร์ ทีมงานใช้โปรโตคอลที่รู้จักกันดีชื่อ DLCZ (Duan-Lukin-Cirac-Zoller) เพื่อสร้างควอนตัมพัวพัน โดยหลักการคือควอนตัมเมมโมรี่แต่ละก้อนจะปล่อยโฟตอนเดี่ยวออกมาแบบสุ่ม เมื่อตรวจพบโฟตอนคู่นี้ที่โหนดตรงกลาง ก็ถือว่าอลิซและบ็อบเกิด ‘ควอนตัมพัวพัน’ กันแล้ว

ทีมงานต้องฝ่าอุปสรรคใหญ่สามประการเพื่อให้ถึง 420 กิโลเมตร:

1. การแปลงความยาวคลื่น (Wavelength Conversion): โดยธรรมชาติแล้วควอนตัมเมมโมรี่ของรูบิเดียมจะปล่อยโฟตอนที่ความยาวคลื่นประมาณ 780 นาโนเมตร (อินฟราเรดใกล้) ซึ่งจะถูกดูดซับอย่างรวดเร็วในใยแก้วระยะไกล ทีมงานจึงแปลงโฟตอนเหล่านี้ให้ไปอยู่ในช่วง ‘เทเลคอม’ (telecom band) ที่ประมาณ 1550 นาโนเมตร ซึ่งเป็นความยาวคลื่นมาตรฐานของระบบสื่อสารใยแก้ว ทำให้สัญญาณสามารถเดินทางได้หลายร้อยกิโลเมตรโดยไม่ถูกดูดซับ

2. การรักษาเสถียรภาพของสัญญาณ (Active Stabilization): ตลอดระยะทาง 420 กิโลเมตร การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การสั่นสะเทือน และปัจจัยทางกลอื่นๆ สามารถทำลายเฟสหรือความสัมพันธ์ทางสัญญาณที่จำเป็นสำหรับการแทรกสอดของโฟตอนเดี่ยวได้ ทีมงานจึงติดตั้งระบบรักษาเสถียรภาพที่ชดเชยความผันผวนเหล่านี้อย่างต่อเนื่องตลอดสาย

3. การแทรกสอดของโฟตอนเดี่ยว (Single-Photon Interference): หัวใจสำคัญของการสร้างควอนตัมพัวพันอยู่ที่โหนดตรงกลาง ซึ่งโฟตอนจากอลิซและบ็อบจะต้อง ‘แทรกสอด’ กัน การแทรกสอดของโฟตอนเดี่ยวให้มีเสถียรภาพในระยะทางไกลเช่นนี้ถือเป็นความท้าทายทางเทคนิคครั้งใหญ่ที่ทีมสามารถแก้ไขได้สำเร็จ

ทะลุกำแพง PLOB bound

จุดที่น่าสนใจที่สุดคือการทดลองนี้สามารถเอาชนะขีดจำกัดทางทฤษฎีที่เรียกว่า ‘PLOB bound’ — ซึ่งเป็นอัตราสูงสุดทางทฤษฎีในการกระจายควอนตัมพัวพันผ่านช่องสัญญาณที่มีการสูญเสียโดยไม่ต้องใช้ควอนตัมรีพีตเตอร์ (quantum repeaters) ทีมงานพบว่าความน่าจะเป็นของการสร้างควอนตัมพัวพันระหว่างหน่วยความจำทั้งสองนั้นเกินขีดจำกัด PLOB bound เมื่อระยะทางมากกว่าประมาณ 230 กิโลเมตร และยิ่งได้เปรียบมากขึ้นเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นถึง 420 กิโลเมตร นับเป็นการทดลองที่ใช้หน่วยความจำควอนตัมครั้งแรกที่ทะลุกำแพงทางทฤษฎีนี้

นอกจากนี้ ทีมงานยังแสดงให้เห็นว่าระบบที่ใช้หน่วยความจำควอนตัมนี้มีประสิทธิภาพดีกว่าการส่งสัญญาณควอนตัมพัวพันโดยตรงผ่านเส้นใยแก้วเมื่อระยะทางเกินประมาณ 320 กิโลเมตร ทั้งนี้เพราะวิธีการที่ใช้หน่วยความจำนั้นประสิทธิภาพจะแปรผันตามรากที่สองของค่าการส่งผ่านของช่องสัญญาณ ในขณะที่การส่งตรงจะแปรผันเป็นเส้นตรง ซึ่งเป็นความแตกต่างพื้นฐานที่ทำให้หน่วยความจำควอนตัมได้เปรียบในระยะทางไกล

ความสำคัญต่อ ‘อินเทอร์เน็ตควอนตัม’

1. ขยับสเกลจากมหานครสู่ข้ามเมือง: สถิติเดิมของควอนตัมพัวพันระหว่างสสารผ่านใยแก้วอยู่ที่ประมาณ 50–100 กิโลเมตร ซึ่งครอบคลุมแค่ในเขตเมือง ที่ระยะ 420 กิโลเมตร การทดลองนี้ก้าวเข้าสู่ระยะทางที่สามารถเชื่อมต่อระหว่างเมืองได้ ดังที่ผู้เขียนงานวิจัยกล่าวว่า “การทดลองของเราเป็นพื้นที่ทดสอบสำหรับศึกษาการประยุกต์ใช้เครือข่ายควอนตัมที่เกินขอบเขตของเมืองเดียว”

2. พิสูจน์แนวคิดเครือข่ายควอนตัมแบบมีหน่วยความจำช่วย: ผลลัพธ์นี้พิสูจน์ว่าควอนตัมเมมโมรี่สามารถจัดเก็บและส่งสัญญาณ ‘ควอนตัมพัวพัน’ ผ่านใยแก้วในระยะที่ใช้งานได้จริงในขณะที่เอาชนะขีดจำกัดแบบไม่มีรีพีตเตอร์ได้ นี่เป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการสร้างควอนตัมรีพีตเตอร์ที่ปรับขนาดได้ และท้ายที่สุดคือ ‘อินเทอร์เน็ตควอนตัม’ เต็มรูปแบบ

3. สอดคล้องกับโครงสร้างพื้นฐานโทรคมนาคมที่มีอยู่: ส่วนประกอบหลักของการทดลอง — การแปลงความยาวคลื่นเทเลคอม, การรักษาเสถียรภาพใยแก้ว, และควอนตัมเมมโมรี่แบบอะตอมเย็น — ล้วนสามารถทำงานร่วมกับอุปกรณ์ใยแก้วมาตรฐานที่มีอยู่แล้ว นี่ชี้ให้เห็นถึงแนวทางการพัฒนาที่เป็นไปได้จากเครือข่ายการกระจายคีย์ควอนตัม (QKD) ในปัจจุบัน สู่ ‘อินเทอร์เน็ตควอนตัม’ ในอนาคตที่สามารถกระจายควอนตัมพัวพันระยะไกลโดยใช้หน่วยความจำ

ข้อควรระวัง (Caveats)

แม้ความสำเร็จทางเทคนิคจะเป็นของจริง แต่ควรทราบว่านี่คือการทดสอบในห้องปฏิบัติการเป็นหลัก โดยใช้ใยแก้วที่ม้วนเป็นขดในสภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้ ไม่ใช่สายที่วางใช้งานจริงในสนาม เส้นใยแก้วมีส่วนเชื่อมต่อสั้นๆที่วิ่งจากห้องทดลองของมหาวิทยาลัยไปยังโหนดวัดที่ ‘เหอเฟย ซอฟต์แวร์ พาร์ค’ (Hefei Software Park) แต่ระยะทางส่วนใหญ่เป็นเส้นใยที่ม้วนอยู่ การนำไปใช้จริงในโลกภายนอกจะต้องแก้ไขความท้าทายทางวิศวกรรมเพิ่มเติม เช่น ความเสถียรของใยแก้วที่วางในสนาม การรวมเข้ากับฮาร์ดแวร์สวิตชิ่งและเราเตอร์ และการขยายขนาดให้เชื่อมต่อหลายโหนด