หนึ่งร้อยปีของกลศาสตร์ควอนตัม

ปี ค.ศ. 2025 (พ.ศ. 2568) ได้ถูกกำหนดให้เป็น ปีสากลแห่งวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีควอนตัม (International Year of Quantum Science and Technology: IYQ) โดยองค์การสหประชาชาติ¹ เพื่อเฉลิมฉลองหมุดหมายสำคัญขององค์ความรู้มนุษยชาติ และเพื่อเสริมสร้างความตระหนักรู้ถึงความสำคัญของวิทยาการด้านควอนตัมในวงกว้าง

เหตุที่เลือกปีนี้ก็เพราะกลศาสตร์ควอนตัมมีอายุครบ 100 ปีเต็ม พอดี นับตั้งแต่ปี 1925 เป็นต้นมา ความเข้าใจของมนุษย์เกี่ยวกับธรรมชาติและความจริงได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างสิ้นเชิง ความรู้พื้นฐานที่ลึกซึ้งขึ้นได้ปูทางไปสู่เทคโนโลยีล้ำสมัยและสิ่งประดิษฐ์ที่ละเอียดอ่อน แม่นยำ และน่าทึ่งยิ่งขึ้น

ขวัญตาจึงอยากพาผู้อ่านมาทำความรู้จัก สำรวจความก้าวหน้า ความสำเร็จ และความท้าทายของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีควอนตัมตลอดหนึ่งศตวรรษที่ผ่านมา

กำเนิดทฤษฎีควอนตัม

ทฤษฎีควอนตัมกำเนิดจากปัญหาที่การทดลองจำนวนมากในช่วงปี ค.ศ.1900 มีผลการทดลองที่ไม่สอดคล้องกับทฤษฎีใด ๆ ทางฟิสิกส์ก่อนหน้าเลย ตัวอย่างการทดลองที่สำคัญและโดดเด่นคือ

การแผ่รังสีของวัตถุดำ
ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (แสงกระตุ้นโลหะให้เกิดกระแสไฟฟ้า)
การทดลองสเติร์น–แกร์ลาค ที่ชี้ให้เห็นว่าสมบัติแม่เหล็กของอะตอมมีธรรมชาติแบบควอนตัม

ซึ่งทั้งหมดนี้เป็นพฤติกรรมที่ขัดกับฟิสิกส์ที่เรารู้ก่อนหน้านี้

แม้แนวคิดพื้นฐานที่นำไปสู่ทฤษฎีควอนตัมจะค่อย ๆ พัฒนามาตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 แต่หากจะปักหมุด “จุดกำเนิด” ของกลศาสตร์ควอนตัมจริง ๆ ก็คงต้องนับจากการตีพิมพ์งานของ แวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก ในเดือนธันวาคม ค.ศ. 1925 ที่รวมความแปลกประหลาดเหล่านั้นเข้าไว้ในระบบกลศาสตร์เดียวกัน ในชื่อ Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen หรือที่รู้จักกันในชื่อ The Umdeutung paper

ใครจะคาดคิดว่า ทฤษฎีที่ดูไกลตัวและว่าด้วยโลกอนุภาคเล็กจิ๋ว จะกลายเป็นรากฐานของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีใหม่ ๆ ที่ครั้งหนึ่งเคยดูเหมือนหลุดมาจากนิยายวิทยาศาสตร์

ควอนตัมคืออะไร

ทฤษฎีควอนตัม (Quantum theories) คือกลุ่มทฤษฎีที่ใช้อธิบายสสาร พลังงาน และข้อมูล โดยถือว่าส่วนประกอบย่อยที่สุดประพฤติตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม หรือฟิสิกส์แบบควอนตัม (Quantum mechanics/physics)

ควอนตัมอยู่ที่ไหนบ้าง

ตลอดหนึ่งร้อยปีที่ผ่านมา ฟิสิกส์ควอนตัมมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจสมบัติของสสาร เพราะช่วยให้เราเข้าใจโครงสร้างอิเล็กตรอนในอะตอม ซึ่งเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของสารต่าง ๆ

เราสามารถสร้าง หลอดไฟ LED หลากสีได้จากความรู้เรื่องระดับพลังงานของอิเล็กตรอน²
เรามี เครื่อง MRI ที่มองทะลุร่างกายได้โดยไม่ต้องผ่าตัดหรือฉายรังสี เพราะเข้าใจว่าอะตอมมีสปินและสปินทำงานอย่างไร³
เรามี เซนเซอร์ตรวจจับแสงและฝุ่น⁴⁵ เพราะอิเล็กตรอนรับพลังงานได้แบบจำเพาะ
เรามี โซลาร์เซลล์ เพราะเข้าใจปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก⁶ และยังใช้ควอนตัมช่วยคำนวณว่าสารใดเหมาะสมที่สุดในการทำโซลาร์เซลล์

ทั้งหมดนี้เรียกรวม ๆ ว่าเป็นการปฎิวัติควอนตัมครั้งที่หนึ่ง

ก้าวสู่การปฎิวัติควอนตัมครั้งที่สอง ควอนตัมกำลังจะไปอยู่ที่ไหน

เพียงช่วงเวลาไม่กี่สิบปีที่ผ่านมามนุษย์เราสามารถผลิตชิปจากเซมิคอนดักเตอร์ความละเอียดสูง ใช้งานแสงเลเซอร์ความถี่สูงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดต่างๆได้อย่างแม่นยำ ทำให้เราสามารถสร้างและควบคุมสถานะควอนตัมได้ถึงระดับอนุภาค เปิดทางไปสู่เทคโนโลยีใหม่ที่โลกไม่เคยมีมาก่อนได้

หนึ่งในเทคโนโลยีที่สำคัญ คือ คอมพิวเตอร์ควอนตัม ที่อาศัยการประมวลผลสถานะควอนตัมที่ละเอียดอ่อนจะเป็นแนวทางใหม่ที่ช่วยให้เราแก้ปัญหาซับซ้อนที่แม้แต่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันยังต้องใช้เวลาหลายปีได้อย่างรวดเร็ว และอาจให้คำตอบที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์ธรรมดา ตัวอย่างปัญหาที่มีสำคัญได้แก่ ฝ

การจัดการการจราจรอย่างมีประสิทธิภาพ แก้ปัญหารถติดในเมืองใหญ่⁷
การลดต้นทุนธุรกิจ ผ่านการจัดการห่วงโซ่อุปทานในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่⁸
การบริหารความเสี่ยงและจัดพอร์ตการลงทุน เพื่อลดต้นทุนทางการเงินในวงกว้าง⁹

นอกจากการประมวลผลข้อมูล เรายังสามารถจำลองคุณสมบัติของวัสดุหรือการเกิดปฏิกิริยาเคมีด้วยระบบทางควอนตัมโดยตรงได้¹⁰อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก เครื่องจำลองแบบควอนตัม (Quantum simulator)¹¹ ที่ทำนายโครงสร้างโมเลกุลโปรตีนจากข้อมูล DNA อย่างแม่นยำและรวดเร็วอาจหมายถึงกระบวนการออกแบบยาที่ประสิทธิภาพขึ้นและมีต้นทุนต่ำลง การค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่สำหรับการผลิตซีเมนต์ที่ช่วยลดการใช้พลังงานและการปล่อยคาร์บอน หรือการหาโครงสร้าง Perovskite ที่เพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของโซลาร์เซลล์ เป็นต้น

พลังการคำนวณที่น่าตื่นตาของคอมพิวเตอร์ควอนตัมก็นำมาซึ่งภัยคุกคามใหม่ในทางไซเบอร์เช่นกัน นั่นเพราะเทคโนโลยีการเข้ารหัสส่วนหนึ่งสามารถถูกถอดรหัสได้อย่างรวดเร็ว ทำให้ปัจจุบันเริ่มมีแนวทางให้เปลี่ยนไปใช้การเข้ารหัสที่ทนทานต่อควอนตัมคอมพิวเตอร์หรือ Post-quantum cryptography (PQC) บ้างแล้วในหลายประเทศ¹² รวมถึงประเทศไทยเองก็ตื่นตัวเรื่องนี้ด้วยเช่นกัน

อีกหนึ่งเทคโนโลยีควอนตัมที่มาแรงและมีแนวโน้มที่จะเริ่มใช้งานจริงคงต้องยกให้เซนเซอร์ควอนตัม(quantum sensor) ที่สร้างจากอะตอมหรือโมเลกุลขนาดเล็กและอาศัยคุณสมบัติความพัวพันทางควอนตัม (entanglement) ทำให้มีความละเอียดสูงกว่าเซนเซอร์ทั่วไป ¹³ ตัวอย่างก็เช่น

เซนเซอร์จากตำหนิในผลึกเพชร สามารถวัดสนามแม่เหล็กในเซลล์สิ่งมีชีวิต และอาจสร้างภาพเซลล์มนุษย์ได้ละเอียดกว่า MRI¹⁴ ช่วยให้แพทย์วินิจฉัยโรคได้แม่นยำยิ่งขึ้น
เซนเซอร์ความละเอียดสูงเพื่อการระบุตำแหน่งโดยไม่ต้องใช้ GPS¹⁵ เหมาะสำหรับการใช้งานใต้ดินหรือใต้น้ำลึก (ปัจจุบันถูกพัฒนาและสนใจมากในแวดวงการทหาร¹⁶)

ขวัญตากับควอนตัม

โอกาสครบรอบหนึ่งศตวรรษของกลศาสตร์ควอนตัมครั้งนี้ ขวัญตาขอใช้เป็นจังหวะชวนผู้อ่านชาวไทยมารับรู้ถึงความสำคัญของวิทยาการและเทคโนโลยีควอนตัมที่สัมพันธ์กับชีวิตประจำวันของเรา เราหวังเป็นอย่างยิ่งว่าบทความแรกนี้จะช่วยจุดประกายความสนใจและความอยากรู้อยากเห็นของผู้อ่านเกี่ยวกับเรื่องราวและการพัฒนาของวิทยาศาสตร์ควอนตัม และในบทความถัดไป เราจะพาไปดูผลการทดลองบางอย่างที่ให้ผลที่แตกต่างจากฟิสิกส์ยุคก่อนควอนตัม และอธิบายว่าทฤษฎีควอนตัมถูกคิดขึ้นมาจากผลทดลองเหล่านั้นได้อย่างไร ฝากติดตามบทความต่อๆไปของพวกเราด้วยนะครับ/ค่ะ

จากใจของพวกเราทุกคน
ขวัญตา

อ้างอิงและข้อมูลเพิ่มเติม

International Year of Quantum Science and Technology, “About IYQ”, IYQ 2025, Accessed: Sep 19, 2025, [Online], Available: https://quantum2025.org/about/. ↩
Institute of Physics, "LED lighting", IOP, Accessed: Sep 19, 2025, [Online], Available: https://www.iop.org/explore-physics/physics-around-you/sustainable-building/led-lighting ↩
The Nobel Prize, "The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003", The Nobel Prize, Accessed: Sep 19, 2025, [Online], Available: https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2003/press-release/ ↩
AOI Sensors, "The Photoelectric Effect and Its Applications in Photoelectric Sensors", https://www.aoisensors.com/the-photoelectric-effect-and-its-applications-in-photoelectric-sensors/?utm_source=chatgpt.com ↩
Anne Corning, "CCD Sensors, Albert Einstein, and the Photoelectric Effect", Radiant Vision Systems, Accessed: Sep 19, 2025, [Online], Available: https://www.radiantvisionsystems.com/blog/ccd-sensors-albert-einstein-and-photoelectric-effect?utm_source=chatgpt.com ↩
The Editor of Encyclopedia Britannica, "Quantum Mechanics | Definition, Developements & Equations", Britannica, Accessed: Sep 19, 2025, [Online], Available: https://www.britannica.com/science/quantum-mechanics-physics ↩
Kulawik, J., D-Dave Systems, and Andrade, I., "Volkswagen optimizes traffic flow with quantum computers", Volkswagen Group, Accessed: Sep 19, 2025, [Online], Available: https://www.volkswagen-group.com/en/press-releases/volkswagen-optimizes-traffic-flow-with-quantum-computers-16995 ↩
Quantum Technology and Application Consortium – QUTAC., Bayerstadler, A., Becquin, G. et al. Industry quantum computing applications. EPJ Quantum Technol. no.8 25, 2021, https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-021-00114-x. ↩
Lang, J., Zielinski, S., and Feld, S., "Strategic Portfolio Optimization Using Simulated, Digital, and Quantum Annealing" Applied Sciences 12, no.23 12288, 2022, https://doi.org/10.3390/app122312288 ↩
A. Yu. Smirnov, S. Savel’ev, L. G. Mourokh, and F. Nori, “Modelling chemical reactions using semiconductor quantum dots,” Europhys. Lett., vol. 80, no. 6, p. 67008, Nov. 2007, doi: 10.1209/0295-5075/80/67008. ↩
T. H. Johnson, S. R. Clark, and D. Jaksch, “What is a quantum simulator?,” EPJ Quantum Technol., vol. 1, no. 1, July 2014, doi: 10.1140/epjqt10. ↩
National Institute of Standards and Technology, "Post-Quantum Cryptography," Computer Security Resource Center, Accessed: Sep 19, 2025, [Online], Available: https://csrc.nist.gov/projects/post-quantum-cryptography ↩
T. Feder, “New center for quantum sensing focuses on medical applications,” Physics Today, vol. 77, no. 5, pp. 24–26, May 2024, doi: 10.1063/pt.esph.sudu. ↩
J. R. Maze et al., “Nanoscale magnetic sensing with an individual electronic spin in diamond,” Nature, vol. 455, no. 7213, pp. 644–647, Oct. 2008, doi: 10.1038/nature07279. ↩
A. Kodigala et al., “High-performance silicon photonic single-sideband modulators for cold-atom interferometry,” Sci. Adv., vol. 10, no. 28, July 2024, doi: 10.1126/sciadv.ade4454. ↩
United States Space Force, “US Space Force scheduled to launch eighth X-37B mission,” Secretary of the Air Force Public Affairs, Accessed: Sep 19, 2025, [Online], Available: https://www.spaceforce.mil/News/Article-Display/Article/4256759/us-space-force-scheduled-to-launch-eighth-x-37b-mission/ ↩