สถาบัน Caltech เปิดตัวโปรเซสเซอร์ควอนตัมขนาด 6,100 คิวบิต ทำลายสถิติเดิม

นักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย (Caltech) ได้สร้างอาร์เรย์คิวบิตขนาดใหญ่ที่สุดในโลก โดยมีจำนวนถึง 6,100 คิวบิต ซึ่งมากกว่าระบบก่อนหน้าที่มีเพียงหลักพันคิวบิต ถือเป็นการทำลายสถิติด้านการประมวลผลควอนตัมครั้งสำคัญ ความสำเร็จครั้งนี้อาศัยอะตอมซีเซียมที่ถูกดักจับด้วยแสงเลเซอร์ซับซ้อน ทำหน้าที่เสมือนแหนบเพื่อควบคุมและรักษาเสถียรภาพของอะตอม

ส่วนสถิติเดิมนั้นเคยทำได้มากกว่า 1,000 คิวบิต พัฒนาโดยบริษัท Atom Computing จากสหรัฐอเมริกา ซึ่งในปี 2023 ทีมวิจัยของบริษัทได้สร้างอาร์เรย์คิวบิตจากอะตอม ytterbium ได้มากถึง 1,225 ตำแหน่ง และใช้งานได้จริง 1,180 คิวบิต

คิวบิตกับหลักการซูเปอร์โพซิชัน

คิวบิตมีความแตกต่างจากบิตดั้งเดิม เนื่องจากใช้หลักการ ซูเปอร์โพซิชัน (Superposition) ทำให้สามารถอยู่ได้ทั้งในสถานะ 0 และ 1 พร้อมกัน การมีจำนวนคิวบิตมากขึ้นจึงช่วยให้อัลกอริทึมควอนตัมสามารถแก้ปัญหาที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปไม่อาจทำได้ อีกทั้งยังช่วยรองรับการแก้ไขข้อผิดพลาด ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญต่อความเสถียรของการประมวลผล

ความก้าวหน้าเชิงเทคนิค

หนึ่งในความสำเร็จที่โดดเด่น คือ คิวบิตสามารถคงสถานะซ้อนทับได้นานเกือบ 13 วินาที ซึ่งยาวนานกว่าค่ากำหนดการก่อนหน้านี้เกือบสิบเท่า อีกทั้งยังสามารถจัดการแต่ละคิวบิตด้วยความแม่นยำสูงถึง 99.98% ถือเป็นเกณฑ์มาตรฐานใหม่สำหรับการเขียนโปรแกรมควอนตัม 

กโยเฮย์ โนมูระ (Gyohei Nomura) นักฟิสิกส์กล่าวอธิบายเพิ่มเติมว่า “คิวบิตไม่มีประโยชน์ถ้าไม่มีคุณภาพ ตอนนี้เรามีทั้งปริมาณและคุณภาพ” 

ขั้นตอนการดำเนินการวิจัย

1. การเตรียมและการทำให้อะตอมเย็นลง

ในขั้นแรก นักวิจัยได้เตรียมเลเซอร์ที่มีความถี่และความเข้มที่เหมาะสมสำหรับใช้งาน จากนั้นเลเซอร์เหล่านี้ถูกนำมาใช้ในการทำให้อะตอมซีเซียม (Cesium) เย็นลงจนอยู่ในสภาวะที่สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ เพื่อเตรียมเข้าสู่ขั้นตอนการทดลองต่อไป

2. การส่งและการดักจับอะตอม

เมื่ออะตอมซีเซียมถูกทำให้เย็นลงแล้ว มันจะถูกส่งผ่านใยแก้วนำแสง (Optical fibers) ข้ามโต๊ะทดลองไปยังพื้นที่ที่ใช้สำหรับดักจับอะตอม นักวิจัยใช้เซลล์แก้ว (Glass cell) ที่ถูกปรับให้อยู่ในสภาวะสุญญากาศต่ำมาก ต่ำกว่าที่พบในชั้นบรรยากาศของดวงจันทร์ อะตอมเหล่านี้จะถูกยึดด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า Optical tweezers หรือ คีมหนีบแสง ซึ่งสามารถดักจับอะตอมได้มากถึง 6,100 อะตอม โดยแต่ละอะตอมสามารถใช้เป็นคิวบิตสำหรับการประมวลผลควอนตัมได้

3. การควบคุมและจัดการคิวบิตอะตอมซีเซียม 6,100 อะตอมถูกกักไว้โดยลำแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มข้นสูง ซึ่งทำหน้าที่เป็นแหนบแสง ที่มาของภาพ ห้องปฏิบัติการ Caltech/Endres

และเพื่อให้สามารถจัดการอะตอมเหล่านี้ได้ นักวิจัยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า Acousto-optical deflector หรือ AOD ซึ่งทำหน้าที่ช่วยหยิบและเคลื่อนย้ายอะตอมไปมาภายในอาร์เรย์ของคิวบิตจำนวน 6,100 ตัว ความสามารถในการเชื่อมโยงอะตอมข้ามอาร์เรย์ หรือ การจัดเรียงอะตอมซีเซียมหลายพันตัว ถือเป็นคุณสมบัติเฉพาะของการประมวลผลควอนตัมด้วยอะตอมที่เป็นกลาง และยังเปิดทางให้นักวิจัยสามารถสร้างการควบคุมคิวบิตได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

4. การสังเกตการณ์และการเก็บข้อมูล

ทีมวิจัยได้ใช้ระบบควบคุมที่ส่งสัญญาณไปยังอุปกรณ์ พร้อมทั้งใช้กล้องถ่ายภาพอะตอมทุก ๆ วินาที ภาพที่ได้สามารถแสดงตำแหน่งของคิวบิตทั้ง 6,100 ตัว โดยแต่ละจุดในภาพแทนอะตอมหนึ่งอะตอมที่ถูกดักจับด้วย Optical tweezers ขนาดภาพทั้งหมดมีเพียงประมาณ 1 มิลลิเมตร แต่สามารถเก็บรายละเอียดได้ครบถ้วน

5. เป้าหมายการวิจัยถัดไป

แม้ความสำเร็จในการดักจับอะตอมจำนวนมหาศาลนี้ถือเป็นก้าวสำคัญ แต่ทีมวิจัยยังมุ่งเป้าหมายต่อไปในการสร้าง การพัวพันทางควอนตัม (Entanglement) ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญที่จะทำให้อะตอมคิวบิตเหล่านี้สามารถทำงานร่วมกันเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่แท้จริงได้ ผลการทดลองที่สามารถควบคุมอะตอมได้ถึง 6,100 ตัว แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ว่าในอนาคตอันใกล้ เราอาจก้าวไปถึงระดับการประมวลผลที่มีอะตอมมากกว่า 10,000 ตัวได้อย่างแท้จริง

หรือสรุปสั้น ๆ ได้ว่า 

นักวิจัยเริ่มจากการใช้เลเซอร์ทำให้อะตอมซีเซียมเย็นลง แล้วส่งผ่านใยแก้วนำแสงไปยังเซลล์แก้วในสภาวะสุญญากาศ ก่อนจะดักจับด้วยคีมหนีบแสงจนได้อะตอมมากถึง 6,100 ตัว มาใช้เป็นคิวบิต หลังจากนั้นใช้อุปกรณ์ AOD ควบคุมและเคลื่อนย้ายอะตอมในอาร์เรย์ พร้อมทั้งใช้กล้องบันทึกภาพคิวบิตทุกวินาที ผลลัพธ์นี้ไม่เพียงสร้างอาร์เรย์คิวบิตขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมี และยังเป็นก้าวสำคัญสู่การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่แท้จริง โดยเป้าหมายถัดไป คือ การทำให้คิวบิตเหล่านี้เกิดการพัวพันทางควอนตัม เพื่อขยายสู่ระดับการประมวลผลที่เกิน 10,000 ตัวในอนาคต

เส้นทางสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมเต็มรูปแบบ

นักวิจัยย้ำว่า ความสำเร็จนี้ไม่ใช่การก้าวกระโดดเพียงครั้งเดียว แต่เกิดจากการพัฒนาวิศวกรรมต่อเนื่อง ตั้งแต่ระบบเลเซอร์ ห้องสุญญากาศ ไปจนถึงการปรับปรุงวิธีควบคุมอะตอมในระดับละเอียดมากขึ้น

จุดถัดไป คือ การพัฒนาวิธีใช้ประโยชน์จาก การพันกันควอนตัม (Entanglement) เพื่อยกระดับจากการเก็บข้อมูลไปสู่การประมวลผลจริง ซึ่งอาจนำไปสู่การค้นพบวัสดุใหม่ กฎฟิสิกส์ใหม่ หรือแม้แต่สสารรูปแบบใหม่

มานูเอล เอนเดรส (Manuel Endres) หนึ่งในทีมนักวิทยาศาสตร์กล่าวว่า “นี่คือช่วงเวลาที่น่าตื่นเต้นสำหรับการคำนวณควอนตัมแบบอะตอมเป็นกลาง ตอนนี้เราเห็นเส้นทางชัดเจนสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดได้” ขณะที่ฮันนาห์ มาเนทช์ (Hannah Manetsch) เสริมว่า “เราได้สร้างเครื่องจักรที่จะช่วยให้เราเรียนรู้จักรวาลในแบบที่กลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้นจะเปิดเผยได้”

ทีมงานนักวิจัย ที่มาของภาพ ห้องปฏิบัติการ Caltech/Endres

งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 24 กันยายน 2025 ซึ่งตอกย้ำว่าการพัฒนาโปรเซสเซอร์ควอนตัมครั้งนี้คือก้าวใหญ่ที่จะปูทางไปสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่และใช้งานได้จริงในอนาคตอันใกล้