สามนักวิจัยด้านการประมวลผลแบบควอนตัม พิชิตโนเบลฟิสิกส์ 2025

คณะกรรมการรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ จากราชบัณฑิตยสภาวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน ประกาศมอบรางวัลในปีนี้ให้แก่สามนักฟิสิกส์ผู้มีผลงานดีเด่นด้านกลศาสตร์ควอนตัม โดยหลักการที่พวกเขาค้นพบ ได้ปูทางไปสู่การพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นใหม่ ที่ทรงพลังมหาศาลในการประมวลผลและคิดคำนวณ

ผู้พิชิตรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2025 ได้แก่ศาสตราจารย์จอห์น คลาร์ก นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย วิทยาเขตเบิร์กลีย์ (UC Berkeley) ของสหรัฐฯ ศาสตราจารย์มิเชล เอช. เดอโวเรต์ นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสจากมหาวิทยาลัยเยล และศาสตราจารย์จอห์น เอ็ม. มาร์ตินิส นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย วิทยาเขตซานตาบาร์บารา (UCSB)

แถลงการณ์ของคณะกรรมการรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ระบุว่า ทั้งสามคนได้รับรางวัลจากผลงานการค้นพบ "การลอดอุโมงค์ควอนตัมเชิงกลในระดับมหภาค (macroscopic quantum mechanical tunnelling) และการควอนไทซ์พลังงาน (energy quantisation) ในวงจรไฟฟ้า" ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่พวกเขาได้ค้นพบ ระหว่างทำการทดลองกับวงจรไฟฟ้าหลายครั้ง ในช่วงทศวรรษ 1980 หรือเมื่อราวสี่สิบปีก่อน

"ในบรรดาเทคโนโลยีล้ำสมัยที่ใช้งานกันอยู่ทุกวันนี้ ไม่มีสิ่งไหนเลยที่ทำงานโดยไม่อาศัยหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม รวมถึงโทรศัพท์มือถือ, กล้องถ่ายรูป, และเคเบิลใยแก้วนำแสง" คณะกรรมการรางวัลโนเบลกล่าว

ศ.คลาร์ก ซึ่งเป็นชาวอังกฤษจากเมืองเคมบริดจ์ของสหราชอาณาจักร กล่าวให้สัมภาษณ์ทางโทรศัพท์หลังการประกาศผลรางวัลโนเบลประจำปีนี้ว่า "ถ้าจะพูดแบบนุ่มนวลไม่ให้ฟังดูแรงเกินไป นี่คือเรื่องน่าประหลาดใจเรื่องหนึ่งในชีวิตของผม...แต่อันที่จริงผมถึงกับอึ้งไปเลยเมื่อได้ทราบข่าว เพราะเมื่อสี่สิบปีก่อนเราไม่เคยคิดเลยว่า ผลงานพวกนี้จะทำให้ได้รางวัลโนเบล"

"ผลงานนี้คือสิ่งที่นำไปสู่การพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม ปัจจุบันนักวิจัยหลายทีมกำลังศึกษาและพัฒนาการประมวลผลแบบควอนตัมอยู่ ซึ่งการค้นพบของเราก็เป็นพื้นฐานให้กับการวิจัยเหล่านี้ในหลายด้าน" ศ.คลาร์กกล่าว

กลศาสตร์ควอนตัม (quantum mechanics) เป็นสาขาหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ที่ว่าด้วยพฤติกรรมของอนุภาคขนาดจิ๋ว ในระบบหรือโลกใบเล็กที่มีขนาดเล็กยิ่งกว่าอะตอม

หนึ่งในคำถามสำคัญของสาขาวิชาดังกล่าว คือขนาดของระบบควอนตัมจะใหญ่ได้มากที่สุดแค่ไหน หากต้องการให้ระบบยังคงแสดงสมบัติและพฤติกรรมทางกลศาสตร์ควอนตัมอยู่ ซึ่งสามผู้พิชิตรางวัลโนเบลในปีนี้ได้ให้คำตอบกับคำถามข้างต้น หลังร่วมกันทำการทดลองกับวงจรไฟฟ้าหรือชิปหลายครั้ง ระหว่างปี 1984-1985 ก่อนจะพบว่าระบบที่มีขนาดใหญ่จนมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า และถือเอาไว้ในฝ่ามือได้นั้น ยังสามารถจะเกิดปรากฏการณ์ทางกลศาสตร์ควอนตัมได้อยู่

นักฟิสิกส์ทั้งสามทำการทดลองกับวงจรไฟฟ้าที่ทำจากตัวนำยิ่งยวด (superconductor) ซึ่งสามารถนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงชนิดที่ปราศจากความต้านทานไฟฟ้า จากนั้นนำวัสดุแผ่นบาง ๆ ที่ไม่นำไฟฟ้า มาคั่นไว้ตรงกลางระหว่างวงจรดังกล่าว ก่อนจะปล่อยกระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่าน

ผลปรากฏว่าอนุภาคมีประจุไฟฟ้าอย่างอิเล็กตรอน สามารถเคลื่อนที่โดยทะลุผ่านกำแพงของวัสดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้าไปได้ ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลครบวงจร เสมือนว่าชิปตัวนำยิ่งยวดที่ถูกแบ่งครึ่งนั้นเป็นระบบเดียวกัน โดยทั้งระบบที่มีอนุภาคอยู่จำนวนมากนั้น กลับแสดงพฤติกรรมเหมือนกับเป็นอนุภาคหนึ่งเท่านั้น

ปรากฏการณ์ดังกล่าวเรียกว่า "การลอดอุโมงค์ควอนตัมเชิงกลในระดับมหภาค" ซึ่งเป็นพฤติกรรมรวมหมู่ของอนุภาคขนาดเล็กจิ๋วในระบบขนาดใหญ่ ที่สามารถสังเกตเห็นได้ด้วยตาเปล่า โดยแทนที่กระแสไฟฟ้าจะไหลเวียนอยู่ในฝั่งเดียว ในสภาพที่ไม่มีความต่างศักย์หรือแรงดันไฟฟ้าเลย (zero - voltage) แต่มันกลับเจาะอุโมงค์ทะลุกำแพงของสถานะพลังงาน จนหนีเล็ดลอดออกมายังอีกฝั่งได้ และทำให้ค่าความต่างศักย์ของทั้งระบบเปลี่ยนไป ซึ่งแสดงว่าสถานะทางพลังงานของระบบก็เปลี่ยนไปด้วย อันเป็นลักษณะเด่นของระบบควอนตัมนั่นเอง

นอกจากนี้นักฟิสิกส์ทั้งสามยังค้นพบว่า ระบบของวงจรไฟฟ้าดังกล่าว ยังแสดงพฤติกรรมสอดคล้องกับหลักกลศาสตร์ควอนตัมที่เรียกว่า "การควอนไทซ์พลังงาน" (energy quantization) หมายความว่าสถานะทางพลังงานของระบบจะต้องมีค่าจำเพาะค่าใดค่าหนึ่ง ซึ่งค่าเหล่านี้จะแยกกันอยู่เป็นช่วงชั้นสูงต่ำเหมือนขั้นบันได แต่ไม่มีความต่อเนื่อง โดยในกรณีของระบบชิปตัวนำยิ่งยวดที่นำมาทดลองนี้ มีการดูดซับหรือปลดปล่อยพลังงานเป็นค่าจำเพาะ ทำให้สอดคล้องกับการเปลี่ยนสถานะทางพลังงานของระบบควอนตัมพอดี

ตัวอย่างหนึ่งของเทคโนโลยีควอนตัมที่ใช้หลักการดังกล่าว ซึ่งพบได้ทั่วไปในชีวิตประจำวันของคนเรา ได้แก่ทรานซิสเตอร์ (transistor) ในไมโครชิปของคอมพิวเตอร์ นอกจากนี้ ผลการศึกษาวิจัยของผู้ครองรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2025 ยังเปิดโอกาสสู่การพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมรุ่นใหม่ รวมถึงการเข้ารหัสควอนตัมของข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ (quantum cryptography), คอมพิวเตอร์ควอนตัม, และอุปกรณ์ตรวจจับหรือเซนเซอร์ควอนตัมด้วย

ด้านศ.เลสลีย์ โคเฮน รองอธิการบดีฝ่ายวิชาการ และอาจารย์ผู้สอนประจำภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยอิมพีเรียล คอลเลจ ลอนดอน (ICL) แสดงความเห็นว่า "นี่เป็นข่าวดีอย่างยิ่ง คณะกรรมการได้มอบรางวัลให้กับผู้ที่สมควรได้รับแล้ว ผลงานของพวกเขาได้วางรากฐาน ให้กับการพัฒนาคิวบิตที่เป็นตัวนำยิ่งยวด (superconducting qubit) ซึ่งเป็นหนึ่งในบรรดาเทคโนโลยีฮาร์ดแวร์ ที่นำมาใช้กับเทคโนโลยีควอนตัม"

นักฟิสิกส์ทั้งสามคนจะได้รับเงินรางวัลจำนวน 11 ล้านโครนสวีเดน หรือราว 38 ล้านบาท โดยพิธีมอบรางวัลโนเบลจะมีขึ้นในวันที่ 10 ธ.ค. ที่จะถึงนี้ เนื่องจากเป็นวันครบรอบมรณกรรมของอัลเฟรด โนเบล นักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดนผู้ก่อตั้งกองทุนรางวัลโนเบล เมื่อ 130 ปีก่อน ส่วนรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์นั้น มีการมอบรางวัลเป็นครั้งแรกในปี 1901