Quantum Teleportation Explained [Thai]
ช่วงนี้หลายคนอาจจะได้ยินเรื่อง Quantum Teleportation มาสักพักบ้างแล้ว แล้วหลายแหล่งข้อมูล ก็จะเขียนเชิง “วิทยาศาสตร์กำลังทำให้ Star Trek กลายเป็นความจริง” แล้วก็อธิบายอะไรก็ไม่รู้บ้าๆบอๆอ่านไม่ออก ไม่เข้าใจ แต่แค่รู้ว่า Quantum Teleportation นั้นมันมีจริงแล้ว วันนี้ก็จะขอมาอธิบายอะไรบ้าๆบอๆให้เข้าใจโดยง่ายละกัน (เพ้อเจ้อฟิสิกส์หลังจากอ่าน protocol บ้าๆบอๆไป =_=) เอาแบบค่อยๆเปิด puzzle ทีละส่วนนะ ยังไม่เฉลย
Quantum Teleportation เกิดขึ้นจากการ implement คุณสมบัติ quantum เรื่อง entanglement และความประหลาดของ measurement (จริงๆเขาเรียกว่า Observation แหละ แต่ขอใช้คำว่า measurement จะได้นึกออกว่าเกิดขึ้นเมื่อทำการวัด) จะขอค่อยๆอธิบายแบบง่ายๆ (ถึงแม้จะอ่านเรื่องนี้มาเยอะ แต่ไม่ได้เรียนมาสายนี้โดยตรง หากผิดพลาดตรงไหนสามารถแย้งได้ทันที และจะเป็นพระคุณอย่างมาก)
เริ่มจาก Measurement ในระบบควอนตัม ในควอนตัมอนุภาคใดๆที่ยังไม่ได้ถูกวัดจะอยู่ในลักษณะของ superposition คืออยู่ในสถานะทับซ้อน ถ้าอธิบายให้ง่าย ขอยกตัวอย่าง Schrodinger’s Cat. สมมติว่ามีกล่องใบหนึ่ง ข้างในใส่แมวไว้ และมีกล่องยาพิษ และสารกัมมันตรังสีอยู่ สารกัมมันตรังสีมีความเป็นไปได้ที่จะแผ่รังสีออกมาแบบ 50/50 ทุกๆชั่วโมง (อันนี้นักฟิสิกส์บอกว่าเป็นการ random 100% ไม่สามารถวัดได้) เมื่อกล่องยาพิษถูกสารกัมมันตรังสีก็จะปล่อยยาพิษออกมาให้แมวตาย. เมื่อ 1 ชั่วโมงผ่านไป เราเปิดกล่องดู ก็จะเห็นว่าแมวมีชีวิตหรือตายอย่างใดอย่างหนึ่งแน่นอน แต่หากยังไม่เปิดกล่องแล้ว ในควอนตัมอธิบายว่า แมวจะอยู่ในสถานะ superposition ของทั้งเป็นและตาย คือทั้งมีชีวิตและไม่มีชีวิตพร้อมกันอะและจะเป็นอย่างนี้ไปตลอด (แน่นอนว่าชั่วโมงแรกเป็น 50/50 แต่ชั่วโมงถัดไปก็จะเปลี่ยนเป็น 75/25 ไปเรื่อยๆ แต่ก็ยังคงอยู่ใน 2 สถานะอยู่ดี) จนกว่าเราจะเปิดกล่องดู (ในควอนตัม เรียกการกระทำนี้ว่า การวัด (observation) หลังจากนี้จะเจอคำนี้บ่อยมาก) สถานะทับซ้อนของแมวก็จะยุบตัว (Wave function collapse) เหลือสถานะเดียว แค่เป็นหรือตายอย่างใดอย่างหนึง จึงไม่ขัดกับหลักความเป็นจริง
ขอให้ assume ไปว่าหลักการ measurement ข้างต้นเป็นจริง ไม่อธิบายในที่นี้ เดี๋ยวยาว หากอยากอ่านเพิ่มเติมสามารถค้นหาได้จาก Heisenberg Uncertainty Principle กับ Double Slit Experiment (ของควอนตัมนะ ไม่ใช่ของแสงม.ปลาย ไม่เอาๆ) ว่างๆ อาจจะเพิ่มเติมให้ฟัง เรื่อง Double Slit Experiment เคยอธิบายไปแล้ว เป็นปรากฎการณ์ที่น่าสนใจมาก เพราะเป็นปรากฎการณ์ควอนตัมที่มองเห็นได้จริง และรับรู้ถึงความประหลาดของมัน
Entanglement ใน quantum คือการที่อนุภาคใดๆเกิดปฎิสัมพันธ์ (ภาษาคนก็เกิดความสัมพันธ์กันนั่นแหละ) ยกตัวอย่างเช่น ในอะตอม He ที่เสถียร มี electron อยู่ 2 ตัว. Electron 2 ตัวนี้มีความสัมพันธ์กันคือ หากตัวหนึงมี spin up อีกตัวหนึ่งจะต้องมี spin down แน่นอน. แต่เราไม่รู้หรอกว่า 2 ตัวนี้ตัวไหนมัน up ตัวไหนมัน down รู้แค่ว่ามันมีปฎิสัมพันธ์ระหว่างกัน สมมติตั้งชื่อ electron ว่า A กับ B. หากเราสามารถวัดค่า state electron ตัว A ได้ ว่ามันมี state spin up. เราก็จะรู้ทันทีว่าตัว B นั้นมี state spin down โดยที่ไม่จำเป็นต้องทำการวัด หรือเห็น หรือเคลื่อนย้ายอีกอนุภาคหนึงเลย (เริ่มเข้าเค้าละ) ไอสไตน์เรียกการเกิดลักษณะนี้ว่า spooky action เพราะไอสไตน์ไม่ยอมรับว่ามันเป็นจริง เนื่องจากสถานะของ B นั้น (ข้อมูลของ B) ถูกส่งมาแบบทันทีทันใด ด้วยความเร็วมากกว่าแสง เมื่อเราวัดค่า A เสร็จ (เพราะ A B มันระยะห่างคือ ระยะอะตอม แต่ข้อมูล B ถูกส่งมาทันทีโดยไม่ผ่านระยะห่างนี้เลย) เรายังไม่เรียกลักษณะนี้ว่า teleportation เพราะอืม มันก็แค่วัดอะ แต่ผู้อ่านก็จะเริ่มเห็นลางๆแล้ว
ข้อข้างต้นก็ถูกพิสูจน์แล้วว่าเป็นจริง และข้อโต้แย้งของไอสไตน์นั้นผิด เราสามารถรับรู้แบบทันทีทันใดได้ แต่อยู่ภายใต้ข้อจำกัด หากสังเกตจะเห็นว่า ก่อนเราจะวัด state ของอนุภาค A นั้น เราไม่รู้ข้อมูลอะไรเกี่ยวกับอนุภาค A และ B เลย (เพราะหากรู้ก่อน ก็แปลว่า ถูกวัดก่อนไปแล้ว ไม่ได้เกิด spooky action) ดังนั้นขณะวัดอนุภาค A ความน่าจะเป็นที่อนุภาค A จะได้ spin up หรือ down นั้นคือ 50/50. ในขณะเดียวกัน อนุภาค B ก็มีความน่าจะเป็นที่จะได้ spin up หรือ down 50/50 เช่นเดียวกัน. เราจะสังเกตเห็นว่าธรรมชาตินั้นอัศจรรย์ มันสร้างความประหลาดของสิ่งหนึ่งไว้ แต่จำกัดให้อยู่ภายใต้ของเหตุผลด้วยสิ่งที่เรียกว่าความน่าจะเป็น. สมมติให้นำ A และ B มา entangle กันให้มีลักษณะ spin ตรงข้าม (โดยที่ไม่รู้สถานะเริ่มต้น ข้อนี้จำเป็นมาก เพราะหากรู้สถานะเริ่มต้น ก็แปลว่าถูกวัดไปแล้ว) จากนั้นเอาอนุภาค A และ B ไปไว้คนละซีกของจักรวาล. เมื่อเราวัดอนุภาค A ต่อให้เราสามารถรู้ว่าอนุภาค B นั้นคืออะไรแบบทันทีทันใด โดยที่ไม่ต้องรอฝั่ง B ส่งข้อมูลข้ามจักรวาลมาเลย (เหมือนจะเร็วกว่าแสงนะ) แต่ลักษณะของสถานะ A และ B อยู่ในลักษณะ 50/50 พูดง่ายๆเดานั่นแหละ เราจึงไม่สามารถใช้ประโยชน์จากมันได้เลย ข้อจำกัดตรงนี้ ทำให้ทฤษฏีข้อมูลยังคงเป็นจริงอยู่ คือเราไม่สามารถส่งข้อมูลได้เร็วกว่าความเร็วแสง (ตรงนี้ไอสไตน์ถูก)
ดังนั้นสรุปพื้นฐานไปแล้ว หลายคนที่อ่านมา บทความบอกกำลังจะได้ star trek หรือวาร์ปข้ามจักรวาลอะไรทั้งหลายแหล่ ก็จะเข้าใจได้ทันทีว่าสิ่งเหล่านี้ ไม่เป็นความจริง เราไม่มีทางวาร์ปแบบ star trek ได้ เพราะข้อจำกัดข้างต้น (นอกจากจะวาร์ปแบบอื่น ที่ไม่ใช่ผ่านทฤษฏีควอนตัมแบบนี้) ภาพข้างล่างเป็นภาพร่างแบบของจริงในกระบวนการ Quantum Teleport
http://www.nist.gov/pml/nist-team-breaks-distance-record-for-quantum-teleportation.cfm
ทีนี้ ที่บทความเขาพูดถึง เขาพูดถึงอะไรล่ะ เราจะสร้างอะไรที่มันไม่เร็วกว่าแสงมาทำแป๊ะอะไร ในเมื่อเรามี fiber optics สำหรับความเร็วเกือบแสงอยู่แล้วนิ เอาทีละเรื่องละกัน ขออธิบายวิธีการและหลักการจริงๆของมันก่อน แล้วค่อยพูดถึงประโยชน์ต่อไป
วิธีการที่เขาใช้มีดังนี้ (สมมติอนุภาค A B C) ดูรูปเหรียญประกอบ
เพื่อความง่าย สมมติ ให้ Bob เป็นฝั่งซ้ายของรูป. Alice เป็นฝั่งขวา.
เราเอาอนุภาค B C มา entangle กันก่อน ให้มีลักษณะ state ตรงกัน แต่เป็น state อะไรก็ไม่รู้. จากนั้นก็เคลื่อนย้าย B C ไปอยู่คนละที่เลย เช่น B ไปที่ Bob ส่วน C ไปที่ Alice. จากนั้น เรา (เป็นคนที่ 3 หรืออาจจะเป็นตัว Bob เองก็ได้) ก็นำอนุภาค A ที่ตั้งค่าเป็นอะไรก็ได้แล้วส่งไปหา Bob ให้ Bob วัด. Bob ก็จะมีทั้งอนุภาค A และ B อยู่. หากอนุภาค A ตรงกับ B อยู่แล้ว ก็ให้ส่ง msg ไปหา Alice ว่าให้ปล่อยไว้. หากอนุภาค A ตรงข้ามกับ B ก็ให้ส่ง msg ไปหา Alice ให้ทำการ “กลับค่า” ของอนุภาค C ซะ. อนุภาค A กับ C ก็จะมีข้อมูลตรงกัน โดยที่เราไม่ได้ส่งข้อมูล หรือส่งอนุภาค A ไปยัง Alice เลย. มันคือการที่ Bob teleport A ไปยัง Alice โดยข้อมูลของ A ไม่ได้ผ่านตัวกลาง. ข้อจำกัดอยู่ที่ว่า เรายังคงจำเป็นต้องส่งข้อมูลอยู่ว่า อนุภาค A B เหมือนหรือต่างกันไปยัง Alice เสมอ (check bit) เพื่อให้เราสามารถ operate C ได้อย่างถูกต้อง. อันนี้เป็นหลักการของ quantum teleportation ส่วนจะใช้กี่ bit ใช้ state อะไร ความน่าจะเป็นเท่าไร อันนี้เป็นเรื่องของทาง technical และ implementation แล้ว. ข้อจำกัดที่เราต้องส่ง check bit นี้ ทำให้การ teleport นี้ไม่มีทางเร็วกว่าแสงได้ และที่สำคัญคือ ช้ากว่าการส่งข้อมูล A ทั้งก้อนผ่าน fiber optics แน่ๆ เพราะเราต้องเสียเวลาทั้ง entangle เสียเวลาส่งไปหา Bob และ Alice และยังเสียเวลารอ Bob ส่ง check bit ไปหา Alice อีก เสียเยอะฉิบหาย
อ้าวเวรกรรม แล้วเราจะพัฒนามันขึ้นมาทำไมละ ของเดิมก็ดีอยู่แล้วนิ. มันมีข้อดีอยู่อย่างหนึงครับ ข้อดีนั้นคือ การที่ state A ไม่ได้ถูกส่งผ่านตัวกลางเลย ส่งแค่ check bit ว่าเหมือนหรือต่างเท่านั้น. อีกทั้ง state B และ C ก้ไม่ได้ถูกวัดก่อนตั้งแต่แรก หากมีคนมาแอบดักฟังว่าเหมือนหรือต่างก็ทำอะไรไม่ได้ เพราะอะไรเหมือนอะไรต่างก็ไม่รู้ รู้แค่ 50/50 (ก็เดานั่นแหละ จึงไม่มีประโยชน์) จึงถูกนำมาใช้ใน quantum cryptography เพราะลักษณะพิเศษของมันที่ว่า คนดักฟัง ไม่สามารถรู้ได้ว่าดักฟังอะไรไปนั่นเอง. นอกจากใน cryptography แล้ว ก็อาจจะมีประโยชน์ในเชิงการศึกษา ความเข้าใจในฟิสิกส์และอื่นๆ หรือใครสนใจเรื่องนี้ อยากจะหาประโยชน์จากมันเพิ่มเติม ก็สามารถลองหาได้ ยังเป็น open field อยู่ การหาประโยชน์ใหม่ๆจากความแปลกประหลาดตรงนี้คงไม่ง่ายเท่าไร (พูดให้ถูกคือ ยากโคตร) แต่ประโยชน์ที่อาจจะได้นั้น ประมาณค่าไม่ได้เลยทีเดียว
ที่นี้คนอ่านอาจจะตามทันแล้วตั้งคำถามว่า เห้ยแบบนี้ก็ดักอ่านตั้งแต่ส่ง B C ไปหา Bob และ Alice เลยสิ ก็จบแล้ว เราก็รู้แล้วว่าอะไรเหมือนอะไรต่างแปลว่าอะไร. จุดนี้ขออธิบายว่านั่นคือเหตุผลที่เราไม่ทำการวัด B C ตั้งแต่แรก (Entangle ได้ค่าอะไรก็ไม่รู้ ไม่ต้องไปวัด) แต่ปล่อยให้มันอยู่ในสถานะ superposition ก่อนส่งไปยัง Bob และ Alice. เนื่องจากมันอยู่ในสถานะ Superposition หากถูกดักฟัง (หรือถูกวัดก่อน) จะทำให้ค่านั้นเปลี่ยนแปลงไปแบบย้อนกลับไม่ได้. Bob และ Alice จะวัดค่าของ B และ C เทียบกับความน่าจะเป็น (ในความเป็นจริงจะใช้ state polarization ของแสง เปรียบเสมือน 2 qubit) หากความน่าจะเป็นคลาดเคลื่อนมากกว่าที่ควรจะเป็น (เพราะถูกวัดไปก่อนแล้วรอบหนึง วัดอีกรอบหนึงความคลาดเคลื่อนก็เพิ่มขึ้นอีกเท่าตัว ทำให้เราใช้หลักสถิติได้ว่า ถ้าส่งข้อมูลจำนวนมากๆ แล้วผิดพลาดเกินค่าที่เราคาดการณ์ไว้ถึงเท่าตัว ก็แปลว่ามีคนดักฟังแล้วนั่นเอง) ก็แสดงว่าถูกดักฟังแล้ว ก็จะทำการขอ key ใหม่นั่นเอง ขอไปเรื่อยๆจนกว่าจะไม่ถูกดักฟัง (ทำให้มีปลอดภัยเรื่องข้อมูลสำคัญรั่วไหลแน่ๆ แต่ถ้าโดนดักฟังไปตลอดกาล ก็ส่งข้อมูลอะไรไม่ได้เลย)
ทั้งนี้ quantum cryptography มีอีกวิธีหนึงที่ผมชื่นชอบกว่าวิธีนี้มาก (แต่ลักษณะคล้ายๆกัน) อยู่ในหนังสือเรื่อง อัศจรรย์ควอนตัม ของอาจารย์สิทธิชัย อาจารย์ท่านนี้เขียนได้อ่านง่ายและเข้าใจอย่างลึกซึ้งถึงแก่นหลักของฟิสิกส์มาก แนะนำๆ
หวังว่าจะมีประโยชน์ไม่มากก็น้อย ที่สำคัญผมเขียนมาเตือนความจำตัวเองด้วย เรียนทั้งคอมทั้งฟิสิกส์ ทั้งติดเกมแงมๆ ถ้าไม่เขียนไว้อนาคตนี่ “ลืมแน่นอน” หากผู้อ่านสงสัยตรงไหน อาจจะอยากย้อนกลับไปอ่านอีกรอบ หรือขอให้ผมอธิบายเพิ่ม หรือแก้ไขรูปประโยคก็ยินดีครับ
สุดท้ายก็ยังไม่เข้าใจว่าทำไมเรียกว่า teleportation. โคตร misleading อะ 555
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_teleportation สำหรับอ่านเพิ่มเติม
- September 29, 2015 -
