จีนทุบสถิติโลกเชื่อมต่อควอนตัม 420 กม. ปูทางอินเทอร์เน็ตแห่งอนาคต

ความสำเร็จในครั้งนี้ถือเป็นการก้าวข้ามขีดจำกัดทางเทคโนโลยีครั้งใหญ่ โดยทำลายสถิติเดิมที่เคยทำไว้ก่อนหน้านี้ลงอย่างราบคาบด้วยระยะทางที่ไกลกว่าเดิมถึงกว่า 4 เท่า และที่สำคัญยังเป็นระยะทางที่ก้าวข้ามขีดจำกัดทางฟิสิกส์เดิมที่เคยเชื่อกันว่าไม่สามารถส่งสัญญาณตรงได้สำเร็จ

สำหรับสถิติการพัวพันหน่วยความจำควอนตัมผ่านไฟเบอร์ออปติกเดิมนั้นเคยอยู่ที่ประมาณ 50 กิโลเมตร ทำไว้โดยมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน (USTC) ของจีนเช่นกันในปี 2020 ก่อนที่จะมีการพัฒนาและมีทีมวิจัยจากฝั่งตะวันตก เช่น Delft University of Technology (เนเธอร์แลนด์) หรือ Harvard University (สหรัฐอเมริกา) ที่ทำการทดลองในลักษณะใกล้เคียงกันแต่เป็นระยะทางที่สั้นกว่ามาก

งานวิจัยชิ้นสำคัญระดับโลกนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการอันทรงเกียรติ Physical Review Letters ภายใต้ความร่วมมือของทีมฟิสิกส์ชั้นนำ นำโดย สี-อวี่ ลั่ว (Xi-Yu Luo), เฉา-หยาง หวัง (Chao-Yang Wang) และ หมิง-หยาง เจิ้ง (Ming-Yang Zheng) จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน (USTC) ซึ่งพวกเขาสามารถไขโจทย์ที่ท้าทายที่สุดของการสื่อสารควอนตัมระยะไกล นั่นคือการรักษาความเสถียรของสัญญาณเอาไว้ให้ได้ตลอดเส้นทาง

กุญแจสำคัญที่ทำให้การทดลองนี้แตกต่างจากการทดลองอื่น ๆ ในอดีต คือ การไม่เลือกพึ่งพาเพียง โฟตอน หรืออนุภาคของแสงที่สูญสลายและถูกรบกวนได้ง่าย แต่ทีมวิจัยหันมาใช้สิ่งที่เรียกว่า หน่วยความจำควอนตัม (Quantum Memories) ที่สร้างขึ้นจากกลุ่มอะตอมรูบิเดียมซึ่งถูกทำให้อุณหภูมิลดต่ำลงอย่างยิ่งยวดด้วยเลเซอร์ 

โดยระบบประกอบไปด้วยอุปกรณ์เก็บข้อมูลควอนตัมสองชุดที่ตั้งชื่อเล่นว่าอลิส (Alice) และบ็อบ  (Bob) วางตำแหน่งห่างกันเป็นระยะทาง 420 กิโลเมตร และมีสถานีกลางชื่อชาร์ลี (Charlie) คอยตรวจจับรูปแบบการแทรกรบกวนและการแทรกสอดของโฟตอนที่ส่งมาจากทั้งฝั่งอลิสและบ็อบ ทันทีที่ชาร์ลีตรวจพบรูปแบบการแทรกสอดที่ถูกต้อง สถานะควอนตัมของอลิสและบ็อบจะเชื่อมโยงถึงกันทันทีอย่างน่าอัศจรรย์ แม้ว่าหน่วยความจำทั้งสองฝั่งจะไม่เคยเดินทางมาพบกันโดยตรงเลยก็ตาม

ทีมวิจัยเผยเบื้องหลังความสำเร็จครั้งนี้ว่าเกิดขึ้นจากการบูรณาการ 3 เทคโนโลยีขั้นสูงเข้าด้วยกัน อย่างแรก คือ 

1. ระบบการแปลงความถี่ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น เพื่อปรับเปลี่ยนช่วงความยาวคลื่นของโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากหน่วยความจำ ให้กลายเป็นย่านความถี่เดียวกับที่อุตสาหกรรมโทรคมนาคมใช้ ซึ่งช่วยลดอัตราการสูญเสียสัญญาณในสายไฟเบอร์ได้อย่างมหาศาล

2. ระบบรักษาเสถียรภาพเฟสแบบใหม่ ซึ่งพัฒนาขึ้นเพื่อรับมือกับการสั่นสะเทือนและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิภายนอกแม้เพียงเสี้ยวองศา ซึ่งมักเป็นตัวการรบกวนสัญญาณควอนตัม 

3. แผนการพัวพันผ่านโฟตอนเดี่ยว โดยกำหนดให้มีโฟตอนเพียงตัวเดียวเท่านั้นที่รอดชีวิตจากการเดินทางมาถึงสถานีกลางเพื่อยืนยันการเชื่อมต่อ

การทะลายกำแพงระยะทางครั้งนี้ยังพิสูจน์ให้เห็นว่า เมื่อผ่านพ้นระยะทาง 320 กิโลเมตรไปแล้ว ระบบเครือข่ายที่ใช้หน่วยความจำควอนตัมสามารถทำงานและส่งข้อมูลได้ดีกว่าการส่งสัญญาณพัวพันโดยตรงผ่านสายไฟเบอร์ออปติกตามขีดจำกัดเดิมทางฟิสิกส์ และช่วยยืนยันว่าการใช้โครงข่ายแบบมีหน่วยความจำควอนตัม คือ คำตอบที่แท้จริงของการสื่อสารแห่งอนาคต

งานวิจัยนี้เป็นเพียงระยะเริ่มต้น และยังต้องใช้เวลาอีกนานกว่าจะพัฒนาไปถึงระบบอินเทอร์เน็ตควอนตัม (Quantum Internet) ที่ใช้งานได้จริงในชีวิตประจำวัน แต่การพิสูจน์ว่าหน่วยความจำควอนตัมสามารถเชื่อมต่อและทำงานร่วมกันได้ในระดับหลายร้อยกิโลเมตร ได้กลายเป็นรากฐานในการต่อยอดไปสู่การสร้างอุปกรณ์ขยายสัญญาณควอนตัม (Quantum Repeater) ในระยะห่างระดับ 100 กิโลเมตร เพื่อเชื่อมต่อโครงข่ายควอนตัมที่ครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ต่อไปในอนาคตอันใกล้