ครั้งแรก : ควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์โดยแสงอาทิตย์

เดือนสิงหาคม ค.ศ. 2026 คณะนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยออตตาวา (Ottawa University) ประเทศแคนาดา และสถาบันบักซ์พลังค์วิทยาศาสตร์แสง (Max Planck Institute for the Science of light) ประเทศเยอรมนี ร่วมกันตีพิมพ์ในวารสาร Optica ฉบับ vol.13, issue 8 ความสำเร็จเป็นครั้งแรก ในการสร้างควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ (quantum entanglement) หรือ “ความพัวพันเชิงควอนตัม” โดยใช้แสงอาทิตย์ซึ่งเท่าที่ผ่านมา ต้องอาศัยแสงเลเซอร์ จึงจะเกิดควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ได้ เป็นผลงานการก้าวกระโดดสู่ควอนตัมเทคโนโลยี ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

“วิทยาศาสตร์ ทันโลก ทันชีวิต” วันนี้ ขอนำท่านผู้อ่าน ไปดูผลงานในวงการวิทยาศาสตร์ล่าสุด เกี่ยวกับควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ ไปดูว่า คณะนักวิทยาศาสตร์ทำได้อย่างไร ? จะเกิดประโยชน์อย่างเป็นรูปธรรมอย่างไร ? จะทำให้เรื่องของการทรานสปอร์ต (transport) มนุษย์ จากตำแหน่งหนึ่งไปยังอีกตำแหน่ง ดังในภาพยนตร์ชุด Star Trek เกิดขึ้นได้จริง แค่ไหน ?

จาก “ฝีมือผีทางไกล” ของไอน์สไตน์สู่การเกิดขึ้นจริง

ก่อนไปเปิดดูผลงานล่าสุดในการทำให้ควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ เกิดขึ้นโดยแสงอาทิตย์ เราไปเปิดดูประวัติเรื่องราวที่มาของควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์กันก่อนอย่างเร็วๆ

จุดเริ่มต้นของเรื่องควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ มาจากความคิดของไอน์สไตน์ ที่ไม่สบายใจกับทฤษฎีควอนตัม ในเรื่องความไม่แน่นอน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในประเด็นผลเชิงควอนตัม ที่ไอน์สไตน์เห็นว่า เป็นปัญหา คือ การเกิดคู่อนุภาค ที่มีความพัวพันกันเชิงควอนตัม

ไอน์สไตน์ยกตัวอย่างการทดลองในความคิดของเขาเรื่องนี้ เมื่อปี ค.ศ. 1935 มีชื่อเรียกว่า การทดลองอีพีอาร์ (EPR experiment) โดย E คือ ไอน์สไตน์ P คือ โพดอลสกี (Boris Podilsky) และ R คือ โรเซน (Nathan Rozen)

ในการทดลองอีพีอาร์ ถ้าอนุภาคเชิงควอนตัมสลายตัว แล้วเกิดเป็นอนุภาคคู่ ซึ่งจะเคลื่อนที่หนีจากกันในทิศทางตรงกันข้าม ตามทฤษฎีควอนตัม อนุภาคทั้งสอง ก็เสมือนกับเป็นคู่อนุภาคเชิงควอนตัมตลอดเวลา ไม่ว่าจะอยู่ห่างไกลกันแค่ไหน แล้วถ้าอนุภาคหนึ่ง “ถูกสังเกต” ซึ่งก็จะแสดงคุณสมบัติเชิงควอนตัมแบบหนึ่ง อนุภาคอีกตัวหนึ่ง ก็จะมีคุณภาพเชิง ควอนตัมอีกแบบหนึ่งทันที...

ซึ่งไอน์สไตน์กล่าวว่า “เป็นไปไม่ได้” เพราะหมายความว่า จะต้องมีการสื่อสารกัน ระหว่างอนุภาคทั้งสองได้ทันที แม้แต่อยู่กันคนละฟากของกาแล็กซี ซึ่งก็จะขัดกับทฤษฎีสัมพัทธภาพว่า ในจักรวาล ไม่มีอะไรจะเคลื่อนที่เร็วกว่าแสงได้

ไอน์สไตน์เรียกปรากฏการณ์ตามการทดลองนี้ว่า “ฝีมือผีทางไกล” (“spooky action at a distance”) 

แอร์วีน ชเรอคิงเงอร์ (Erwin Schröbinger) เป็นผู้ตั้งคำ entanglement สำหรับปรากฏการณ์ตามการทดลองของไอน์สไตน์ในปี ค.ศ. 1935

ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1935 มา ก็มีนักวิทยาศาสตร์พยายามพิสูจน์ว่า “ไอน์สไตน์ผิด”

แต่จนกระทั่งเมื่อไอน์สไตน์จากโลกไปในปี ค.ศ. 1955 ก็ยังไม่มีการพิสูจน์ให้ประจักษ์ได้ว่า “ไอน์สไตน์ผิด”

จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1982 อเลน แอสเปกต์ (Alan Aspect) ได้ทำการทดลองอย่างเป็นประจักษ์ว่า ควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ เกิดขึ้นได้จริง

ตั้งแต่นั้นมา ควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ ก็เป็นเป้าหมายใหญ่ท้าทายนักฟิสิกส์ทั่วโลก ในการวิจัยและพัฒนา เพื่อใช้ควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ ให้เกิดเป็นเทคโนโลยีขึ้นมาได้จริง ซึ่งก็มีความก้าวหน้าเกิดขึ้นมากมาย

แล้วผลงานความสำเร็จใหม่ครั้งแรก ในการใช้แสงอาทิตย์ จะเป็นประโยชน์อย่างเป็นพิเศษอย่างไร?

อย่างตรงๆ การสร้างควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ ที่ทำกันอยู่ในปัจจุบัน ส่วนใหญ่ต้องอาศัย “เลเซอร์”

แต่ถ้าควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ด้วยแสงอาทิตย์เกิดขึ้นได้จริง ก็จะช่วยแก้ปัญหาใหญ่ในการต้องพึ่งพา “เลเซอร์” ที่ “ราคาแพง” “ขนาดใหญ่” “ต้องใช้พลังงาน” เช่น ไฟฟ้า อย่างมาก จึง “ไม่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม”...

และเหมาะสำหรับงานการใช้ควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ในอวกาศ เพราะไม่ต้องขนอุปกรณ์เครื่องมือสำหรับเลเซอร์ขึ้นสู่อวกาศด้วย

โจทย์และหลักคิด

โจทย์ของคณะนักวิทยาศาสตร์สำหรับการทดลองใหม่ อย่างตรงๆ คือ จะใช้แสงอาทิตย์ธรรมดา ในการสร้างควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ได้หรือไม่ ?

ความคิดของคณะนักวิทยาศาสตร์ คือ “น่าจะได้”

แต่มิใช่ในแบบควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ของคู่อนุภาคโฟตอน หากเป็นแบบที่เกิดกับอนุภาคโฟตอน ในสภาพของความเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ความแตกต่างสำคัญระหว่างแสงเลเซอร์กับแสงอาทิตย์ คือ สำหรับแสงเลเซอร์จะเป็นแสงเกิดจากลำอนุภาค โฟตอนที่เป็น “แสงสีเดียว” เช่น สีแดง สำหรับลำเลเซอร์สีแดง ซึ่งจะประกอบด้วยอนุภาคโฟตอนหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มีความยาวคลื่นของแสงสีแดงเท่านั้น

แล้วแสงอาทิตย์ธรรมดาล่ะ?

ก็เป็นลำอนุภาคโฟตอนที่ประกอบด้วยคลื่นแสง มีความยาวคลื่นอย่างหลากหลายของสีต่างๆ ปะปนกันอยู่ อย่างไม่เป็นระเบียบ

หลักคิดใหม่ของคณะนักวิทยาศาสตร์ คือ คณะนักวิทยาศาสตร์มองไปที่คุณสมบัติของแสงในส่วนเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากสภาพของ “สนามไฟฟ้า” ที่สั่นในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของแสง

กล่าวคือ สำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแสง จะประกอบด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ซึ่งเคลื่อนที่ตั้งฉากต่อกันและกัน และตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นแสง

อย่างตรงๆ คณะนักวิทยาศาสตร์ เชื่อ...หรือคาดหวัง...ว่า ถึงแม้จะทำให้อนุภาคโฟตอนของแสง เอ็นแทงเกิลเมนต์กัน ในแบบดังเช่นคู่อนุภาคของอิเล็กตอนไม่ได้ เพราะอิเล็กตรอนมีสภาพความเป็นอนุภาค ในสภาวะปกติ เด่นชัดกว่าของแสงซึ่งมีสภาพความเป็นคลื่นที่เด่นชัดกว่า...

คล้ายกับกรณีของมนุษย์ ซึ่งตามทฤษฎีควอนตัม มนุษย์ก็มีทั้งสภาพความเป็นอนุภาคและคลื่น แต่ในภาวะปรกติที่เราคุ้นเคยกัน ความเป็นอนุภาคของมนุษย์ ก็เด่นชัดกว่าความเป็นคลื่น...

แต่คณะนักวิทยาศาสตร์ตั้งสมมติฐานว่า ควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ของแสง “น่าจะ” หรือ “อาจจะ” เกิดจากสภาพ “โพลาไรเซชัน” ของแสงได้

นั่นคือ คณะนักวิทยาศาสตร์จะโฟกัสสำหรับการสร้างควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ของคลื่นแสง ไปที่ “การโพลาไรเซชัน” ของแสง และมิใช่เฉพาะอนุภาคหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงสีเดียว นั่นคือ แม้แต่แสงอาทิตย์ธรรมดา ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคโฟตอน มีความยาวคลื่นหลายอย่างปะปนกัน แต่เมื่อโฟกัสไปเฉพาะที่ “การโพลาไรเซชัน” ของแสง ก็น่าจะทำได้...แสดงให้เห็นได้...ว่า อนุภาคของแสงก็เกิดการเอ็นแทงเกิลเมนต์กันเป็นคู่ๆ ได้

จริงๆ แล้ว คำอธิบายดังกล่าวนี้ ก็ใช้กับกรณีของ “แสงเลเซอร์” อยู่แล้ว...

แต่ในการศึกษาวิจัยใหม่ ก้าวออกไปไกลจากเลเซอร์ ถึงแสงอาทิตย์ธรรมดา ซึ่งยากกว่ามาก

วิธีทดลอง

ก่อนการทดลองล่าสุด ส่วนหนึ่งของทีมนักวิทยาศาสตร์ นำโดย โรเบิร์ต บอยด์ (Robert Boyd) แห่งมหาวิทยาลัยออตตาวา ได้ทำการศึกษาเชิงทฤษฎีมาก่อน เพื่อศึกษาว่าควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ของอนุภาคแสง จะเกิดจากแหล่งกำเนิดแสงที่ไม่ใช่เลเซอร์ได้หรือไม่ ?

ผลการศึกษาแสดงว่า “เป็นไปได้”

แล้วทีมนักวิทยาศาสตร์ของ บอยด์ ก็ออกแบบทดลองความคิดเชิงทฤษฎีของทีมงาน กับต้นกำเนิดแสงที่มิใช่เลเซอร์ คือ ใช้แสงจากหลอดไฟแอลอีดี (LED)

ผลปรากฏว่า ประสบความสำเร็จ คือ เกิดควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ของอนุภาคโฟตอนของแสงได้จริง

สำหรับผลงานล่าสุด เป็นผลงานการรวมทีมนักวิทยาศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยออตตาวา ที่มี โรเบิร์ต บอยด์ เป็นหัวหน้าทีมกับทีมที่สองที่สถาบันมักซ์พลังค์วิทยาศาสตร์แสง มี ฮานีย์ ฟาตตาฮี (Hanieh Fattahi) เป็นหัวหน้าทีม

สำหรับการทดลองใหม่ ทีมงานที่สถาบันมักซ์พลังค์วิทยาศาสตร์แสง ออกแบบ เลนส์รวมแสงแบบเฟรสเนลรูปกรวย เพื่อรวมแสงอาทิตย์เข้มข้น เข้าไปในใยแก้วนำแสงขนาดเส้นผม แสงที่เข้มข้นก็จะถูกส่งต่อเข้าไปในผลึกโพแทสเซียมไททานิลฟอสเฟต (Potassium Titanyl phosphate) มีขนาดเล็กเพียงประมาณ 1 มิลลิเมตร และก็หวังว่าควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ของอนุภาคแสงโฟตอน จะเกิดขึ้นในผลึก

สำหรับหลักการ (ทฤษฎี) ที่คณะนักวิทยาศาสตร์ใช้ ซึ่งเริ่มมาจากทีมที่มหาวิทยาลัยออตตาวา คือ “การแปลงพารามิเตอร์แบบเกิดขึ้นเอง” (“Spontaneous Parametric Down-Conversion”) หรือ เอสพีดีซี (SPDC) เป็นกระบวนการแปลงอนุภาคแสงโฟตอนที่มีพลังงานสูง ให้เป็นคู่โฟตอนมีพลังงานต่ำลง ในวัสดุไม่เป็นแบบเชิงเส้น (nonlinear)

ในการทดลองจริง แสงจากหลอดแอลอีดี (ในการทดลองครั้งแรกที่มหาวิทยาลัยออตตาวา) หรือแสงอาทิตย์ธรรมดา ในการทดลองล่าสุด ถูกรวมให้มีความเข้มสูง โดยเลนส์รวมแสง เพื่อส่งต่อเข้าไปในเส้นใยนำแสง แล้วแสงจากเส้นใยนำแสง ก็ถูกส่งต่อเข้าไปในผลึกชนิด “ไม่เชิงเส้น”

ภายในผลึก อนุภาคโฟตอนบางตัว ก็จะแยกเป็นโฟตอนใหม่สองตัว ซึ่งเอ็นแทงเกิลเมนต์กัน

ในการทดลองจริง คณะนักวิทยาศาสตร์ก็ดำเนินการทดลองในที่โล่งแจ้ง โดยกั้นบริเวณทดลองให้เป็นห้องขนาดใหญ่ แต่ไม่มีหลังคา

ผลการทดลอง

ผลการทดลองใหม่ที่ลงตีพิมพ์ มี เฉิง ลี่ (Cheng Li) จากทีมงานของบอยด์แห่งมหาวิทยาลัยออตตาวา เป็นชื่อแรกกับอีก 5 คน ซึ่งมี โรเบิร์ต บอยด์ และ ฮานีห์ ฟาตตาฮี รวมอยู่ด้วย

ชื่อรายงานที่ลงตีพิมพ์ คือ “Generating quantum entanglement from sunlight” (“การสร้างควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์จากแสงอาทิตย์”)

ในการตรวจสอบว่า เกิดควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์เป็นอนุภาคแสงโฟตอน ในผลึกขนาดเล็กจิ๋วหรือไม่ คณะนักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบโดย 2 วิธี

หนึ่ง : ใช้ quantum state tomography (โทโมกราฟฟีสถานะควอนตัม) ตรวจหาคู่การเกิดของอนุภาคแสงที่เอ็นแทงเกิลเมนต์กัน คล้ายกับวิธีการถ่ายภาพภาคตัดขวางอวัยวะภายในของคนป่วยโดย ซีทีสแกน (CT scan ; Computerized Tomography scan) แต่สำหรับการทดลองใหม่ อย่างให้เข้าใจง่าย คือ การถ่ายภาพภาคตัดขวางของอนุภาคโฟตอนในผลึก โดยเน้นการตรวจสอบการโพลาไรเซชันของอนุภาคโฟตอน

ผลจากการตรวจสอบพบว่า เกิดคู่การเอ็นแทงเกิลเมนต์ของอนุภาคแสงจริง และ “สูง” ถึงประมาณ 94% ของที่เกิดโดยเลเซอร์

สอง : ใช้หลัก “ความไม่เท่าเทียมกันของเบล์” หรือ “Bell’s inequality” ตรวจสอบคู่อนุภาคโฟตอนว่า เป็นคู่อนุภาคโฟตอนเชิงควอนตัมหรือไม่ ?

ตามหลักความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์ คู่อนุภาคที่ไม่พัวพันกันเชิงควอนตัม จะมีค่าความไม่เท่าเทียมกัน (ของเบลล์) ต่ำกว่า 2.0

จากการตรวจสอบสำหรับการทดลองใหม่พบว่า มีค่าของความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์สูงถึง 2.5

สรุปรวบยอดผลการทดลองใหม่ คือ แสงอาทิตย์ธรรมดา ก็สามารถทำให้เกิดควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ได้

ก้าวต่อไปของคณะนักวิทยาศาสตร์

เป้าหมายต่อไปของคณะนักวิทยาศาสตร์ เจ้าของผลงานสร้างควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ด้วยแสงอาทิตย์ คือ

*พัฒนาระบบของคณะให้ใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพและสะดวกยิ่งขึ้น สำหรับการวิจัยและพัฒนา ควอนตัมแทงเอ็นเกิลเมนต์ของแสง อย่างน้อยคือ ระบบที่จะออกจาก “ห้องทดลอง” สู่การใช้งานจริง ได้กว้างขวางขึ้น

*เป้าหมายเฉพาะของก้าวต่อไป คือ เพิ่มความชัดเจน (สว่างขึ้น) และคุณภาพของควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ด้วยแสงอาทิตย์

*กระบวนการหรือวิธีการอื่น นอกเหนือไปจากกระบวนการเอสพีดีซีที่คณะใช้ สำหรับการสร้างควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ของอนุภาคโฟตอนด้วยแสงอาทิตย์

หรือกัปตันเคิร์กจะถูก “beam me up” สู่ยานเอนเตอร์ไพรส์ได้จริง ?!

ความตื่นเต้นอย่างหนึ่งที่เกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1982 หลัง อเลน แอสเปกต์ สามารถสร้างควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ขึ้นมาได้จริง คือ การตั้งคำถามว่า หรือการเคลื่อนย้ายสสาร เช่น ตัวกัปตันเคิร์ก ในภาพยนตร์ชุด Star Trek จากพื้นผิวดาวเคราะห์ดวงหนึ่ง ขึ้นสู่ยานเอนเตอร์ไพรส์ ที่กำลังโคจรอยู่ในอวกาศในทันที จะเกิดขึ้นได้จริง !

คำตอบอย่างเป็นวิทยาศาสตร์โดยทั่วไป คือ “ไม่ได้ !” หรือ “เรื่องการเคลื่อนย้ายสสารอย่างทันทีทันใด” เป็นคนละเรื่องกับ “การเอ็นแทงเกิลเมนต์ของสสาร”

แต่วิทยาศาสตร์ ก็มี “ความลับ” ให้ตื่นเต้นกันได้เสมอ !

เพราะถึงแม้ การเอ็นแทงเกิลเมนต์ของสสาร ถึงล่าสุด จะทำได้กับอนุภาคหลายชนิด และขนาดใหญ่ขึ้น นอกเหนือไปจากโฟตอน ดังเช่น อิเล็กตรอน , ควาร์ก , อะตอม , โมเลกุลและเพชร...

แต่เมื่อเดือนธันวาคม ค.ศ. 2021 ก็มีรายงานข่าวคณะนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยาง ในสิงคโปร์ ประสบความสำเร็จในการสร้างควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์กับสิ่งมีชีวิตระดับเป็นสัตว์ ได้สำเร็จเป็นครั้งแรก คือ หมีน้ำ (tardigrade) เจ้าสัตว์ตัวเล็ก 8 ขา ที่ทนร้อน, ทนหนาว หรืออยู่ในอวกาศได้

ถึงแม้ผลงานของคณะนักวิทยาศาสตร์ที่สิงคโปร์จะถูกตั้งข้อสงสัยว่า อาจไม่ใช่การเกิดเอ็นแทงเกิลเมนต์ขึ้นมาได้จริง...

และถึงแม้การสร้างควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์กับหมีน้ำ จะเกิดขึ้นได้จริง แต่ก็มีการตั้งคำถามต่ออยู่ดีว่า เรื่อง “ควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์” ยังห่างไกลจากเรื่อง “การส่งถ่ายสสารทันที” ดังในภาพยนตร์ Star Trek เพราะควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์ ถึงแม้จะทำให้เกิดควอนตัมทรานสปอร์ทชัน (quantum transportation) ได้จริง แต่สิ่งที่จะส่งถ่ายต่อกัน คือ “information” (ข่าวสาร) มิใช่ “สสาร”

อย่างไรก็ตาม ถึงแม้เรื่องการส่งถ่ายสสาร กับเรื่องควอนตัม เอ็นเทงเกิลเมนต์ จะ “ยังไม่ใช่เรื่องเดียวกัน” แต่ก็ “ใกล้ชิดกัน” มากที่สุด สำหรับกระบวนการทางวิทยาศาสตร์...

และกับความก้าวหน้าอย่างน่าพิศวงของวิทยาศาสตร์แปลกใหม่ บางที เรื่องควอนตัมเอ็นแทงเกิลเมนต์กับเรื่องการส่งถ่ายสสาร อาจกลายเป็นเรื่องเดียวกัน ก็มิใช่จะเป็นไปไม่ได้!

แล้วท่านผู้อ่านล่ะครับ คิดอย่างไร ?

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech