นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยโทโฮคุ ประเทศญี่ปุ่น เสนอแนวทางใหม่ในการตามล่า “สสารมืด” (Dark Matter) ส่วนประกอบลึกลับที่เชื่อว่าเป็นกาวเชื่อมกาแล็กซีต่างๆ ไว้ด้วยกัน โดยใช้เครือข่ายเซ็นเซอร์ควอนตัมที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ เพื่อเพิ่มความไวในการตรวจจับสัญญาณที่แผ่วเบาราวกระซิบจากจักรวาล ซึ่งอาจนำไปสู่การค้นพบครั้งยิ่งใหญ่ที่สุดครั้งหนึ่งในวงการฟิสิกส์
จักรวาลของเราเต็มไปด้วยสสารที่มองไม่เห็นและไม่สามารถสัมผัสได้โดยตรง นักวิทยาศาสตร์เรียกมันว่า สสารมืด ซึ่งมีปริมาณมากกว่าสสารปกติที่เรามองเห็น เช่น ดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ หรือตัวเรา ถึง 5 เท่า แม้เราจะมองไม่เห็นมัน แต่เรารู้ว่ามันมีอยู่จริงจากแรงโน้มถ่วงมหาศาลของมันที่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของกาแล็กซีต่างๆ
การค้นหาสสารมืดจึงเปรียบเสมือนการตามหาส่วนผสมที่หายไปของเอกภพ และล่าสุด ทีมนักวิจัยอาจเข้าใกล้คำตอบนั้นไปอีกขั้นแล้ว
หัวใจของการวิจัยนี้คือการใช้ “คิวบิตตัวนำยิ่งยวด” (Superconducting qubits) ซึ่งเป็นวงจรไฟฟ้าขนาดจิ๋วที่ทำงานในอุณหภูมิต่ำสุดขั้วและแสดงคุณสมบัติทางควอนตัม โดยปกติแล้วคิวบิตเหล่านี้เป็นส่วนประกอบหลักของคอมพิวเตอร์ควอนตัม แต่ทีมวิจัยได้ดัดแปลงมันให้กลายเป็นเซ็นเซอร์ควอนตัมที่มีความไวสูงอย่างยิ่ง
พวกเขาค้นพบว่า แทนที่จะใช้เซ็นเซอร์เพียงตัวเดียว การนำคิวบิตหลายๆ ตัวมาเชื่อมต่อกันเป็นเครือข่าย ในรูปแบบที่ออกแบบมาอย่างดี เช่น แบบวงแหวน, เส้นตรง, หรือแบบดาว จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการดักจับสัญญาณอ่อนๆ ได้อย่างมหาศาล เหมือนทีมที่ทำงานร่วมกันย่อมทำสิ่งต่างๆ ได้ดีกว่าคนคนเดียว
เพื่อให้เครือข่ายทำงานได้เต็มประสิทธิภาพสูงสุด ทีมวิจัยได้ใช้เทคนิคสองอย่างเข้ามาช่วย
- การวัดเชิงควอนตัมแบบแปรผัน (Variational quantum metrology) เป็นกระบวนการที่ซับซ้อน แต่เปรียบเทียบได้ง่ายๆ กับการฝึกสอนปัญญาประดิษฐ์ (AI) เพื่อหาค่าที่เหมาะสมที่สุดในการเตรียมและวัดสถานะควอนตัมของคิวบิต
- การประมาณค่าแบบเบย์ (Bayesian estimation) ทำหน้าที่กรองสัญญาณรบกวน (Noise) ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในระบบควอนตัม ซึ่งเปรียบได้กับการปรับภาพที่พร่ามัวให้คมชัดขึ้น เพื่อให้เห็นสัญญาณของจริงที่ต้องการค้นหา
ผลการทดสอบน่าทึ่งมาก เพราะเครือข่ายเซ็นเซอร์ที่ปรับจูนแล้วสามารถทำงานได้ดีกว่าวิธีดั้งเดิมอย่างเห็นได้ชัด แม้ในสภาวะที่มีสัญญาณรบกวนเหมือนกับอุปกรณ์ควอนตัมที่มีอยู่ในปัจจุบันก็ตาม
ความสำเร็จครั้งนี้ไม่ได้เป็นเพียงก้าวสำคัญในการตามล่าสสารมืดเท่านั้น แต่ยังเป็นการเปิดประตูสู่การพัฒนาเทคโนโลยีแห่งอนาคตอีกมากมายที่ต้องการความแม่นยำสูงสุด ตั้งแต่การสร้างเรดาร์ควอนตัมสำหรับตรวจจับวัตถุล่องหน, การยกระดับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงให้ละเอียดอ่อนยิ่งขึ้น, และการสร้างนาฬิกาอะตอมที่เที่ยงตรงอย่างไม่เคยมีมาก่อน ไปจนถึงการประยุกต์ใช้ที่อาจปฏิวัติชีวิตประจำวันของเรา เช่น การเพิ่มความแม่นยำของระบบ GPS, การสร้างภาพสมองด้วย MRI ที่คมชัดกว่าเดิม และการสำรวจโครงสร้างใต้ดินได้อย่างที่ไม่เคยทำได้มาก่อน
ในอนาคต ทีมวิจัยวางแผนที่จะขยายแนวทางนี้ไปสู่เครือข่ายที่มีขนาดใหญ่ขึ้น และพัฒนาวิธีการทำให้เซ็นเซอร์ทนทานต่อสัญญาณรบกวนได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งอาจเป็นก้าวสำคัญที่ทำให้มนุษยชาติสามารถมองเห็นสิ่งที่เคยอยู่นอกเหนือขอบเขตการรับรู้ของเราได้ในที่สุด
ข้อมูลอ้างอิง: Physical Review
- Optimized quantum sensor networks for ultralight dark matter detection
