ข่าว

               ระบบอะตอมเย็นในสถานะกระตุ้นขั้นสูงหรืออะตอมริดเบิร์ก ได้รับการยอมรับว่าเป็นระบบที่สามารถใช้ในการสร้างแบบจำลองทางควอนตัม (quantum simulation) ที่ซับซ้อนได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การจำลองสถานการณ์ทางแม่เหล็กของสสารจริง เช่น การศึกษาการเปลี่ยนเฟสของสปินแม่เหล็ก การศึกษาพลวัตรของสปินแม่เหล็ก หรือแม้กระทั่งการจำลองสสารแม่เหล็กแบบใหม่ ซึ่งมีการศึกษาทางทฤษฎีแต่ไม่เคยถูกค้นพบในการทดลองมาก่อน

อย่างไรก็ตาม ความซับซ้อนของรูปแบบสปินแม่เหล็กที่จำลองได้ในงานวิจัยก่อนหน้าถูกกำหนดตายตัวโดยพลังงานของระบบตามธรรมชาติของอะตอมที่ใช้ในแบบจำลอง ทำให้ระบบดังกล่าวถูกนำไปใช้ในการจำลองสถานการณ์ทางแม่เหล็กได้เพียงบางประเภทเท่านั้น

เพื่อก้าวข้ามข้อจำกัดดังกล่าว ในงานวิจัยนี้ทางคณะผู้วิจัย ซึ่งมี อ.ดร.นิธิวดี ไทยเจริญ อาจารย์ประจำคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ (ผู้เป็น co-first author และ co-corresponding author ของงานวิจัยชิ้นนี้ โดยทำวิจัย ณ Heidelberg University ประเทศเยอรมนี ในขณะที่ ดร.นิธิวดี ทำงานในตำแหน่ง Postdoctoral Research Fellows) ได้ใช้เลเซอร์และแม่เหล็กไฟฟ้าในการทำความเย็นอะตอมจนทำให้อะตอมมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิห้องหลายล้านเท่า หลังจากนั้นจึงกระตุ้นอะตอมดังกล่าวให้อยู่ในสถานะริดเบิร์กแล้วนำมาใช้จำลองสถานการณ์ทางควอนตัมของสปินแม่เหล็ก

ผู้วิจัยประสบความสำเร็จในการออกแบบพัลส์จากแหล่งกำเนิดคลื่นไมโครเวฟให้เปลี่ยนแปลงในระดับหนึ่งในพันล้านของวินาที ทำให้สามารถสร้างแบบจำลองเชิงควอนตัมของระบบแม่เหล็กจากอะตอมริดเบิร์กให้มีความซับซ้อน และไม่สามารถทำได้มาก่อนในระบบแบบเดิม ทำให้สามารถใช้ระบบดังกล่าวในการจำลองสภาวะทางแม่เหล็กชนิดใหม่ได้

นอกจากนี้ งานวิจัยนี้ยังได้แสดงให้เห็นว่าสามารถออกแบบระบบทางควอนตัมที่ทำให้สถานะของสปินแม่เหล็กคงอยู่ได้เป็นเวลานาน ซึ่งสามารถนำไปพัฒนาต่อเพื่อใช้ในระบบการเก็บข้อมูลเชิงควอนตัมได้


_{ภาพประกอบ (a) ภาพแบบจำลองทางควอนตัมของระบบสปินแม่เหล็กที่เตรียมจากอะตอมในสถานะริดเบิร์ก อะตอมในสถานะที่ต่างกันถูกนำไปใช้ในการจำลองสปินแม่เหล็กที่มีสปินต่างกัน (b) การใช้พัลส์จากแหล่งกำเนิดคลื่นไมโครเวฟเพื่อเปลี่ยนอันตรกิริยาระหว่างอะตอม ทำให้ได้แบบจำลองเชิงควอนตัมของระบบแม่เหล็กที่มีความซับซ้อนและไม่สามารถทำได้มาก่อนในระบบแบบเดิม ภาพจากบทความ Science, 374 (6571), 1149-1152 (2021)}


งานวิจัย เรื่อง Floquet Hamiltonian engineering of an isolated many-body spin system (การสร้างฮามิลโตเนียนแบบฟลอเกต์ในระบบโดดเดี่ยวของสปินหลายอนุภาค) นี้ ได้ถูกตีพิมพ์ในวารสาร Science โดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ STRUCTURES Cluster of Excellence และ Collaborative Research Centre (ISOQUANT) ของ Heidelberg University และเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ Programmable Atomic Large-Scale Quantum Simulation (PASQuans) ซึ่งได้รับการสนับสนุนโดย European Quantum Technologies Flagship

ทั้งนี้ วารสาร Science เป็นวารสารทางวิชาการชั้นนำระดับโลกด้านวิทยาศาสตร์ ซึ่งมีการประเมินบทความวิชาการโดยผู้ทรงคุณวุฒิ (peer review) อย่างเข้มข้น ถือเป็นวารสารอันดับต้นของสายวิทยาศาสตร์ การได้ตีพิมพ์ลงในวารสารดังกล่าว จะต้องเป็นบทความที่ได้รับความสนใจสูง เป็นองค์ความรู้ใหม่ และมีผลกระทบต่อวงการวิชาการระดับสูง โดยมีบทความที่บรรณาธิการยอมรับให้ตีพิมพ์เพียงร้อยละ 10 ของบทความที่ส่งตีพิมพ์เท่านั้น ซึ่งในปี 2020 วารสาร Science มีค่า Impact Factor เท่ากับ 47.728 และอยู่ในสองลำดับแรกของฐานข้อมูล Science Citation Index Expanded (SCIE)

ความสำเร็จในการสร้างงานวิจัยทางควอนตัมของนักวิจัยไทย นับเป็นจุดเริ่มต้นจุดหนึ่งของประเทศไทยในการเตรียมความพร้อมก้าวเข้าสู่ยุคของเทคโนโลยีควอนตัมในอนาคต โดยในปัจจุบัน ประเทศไทยมีนักวิจัยที่มีประสบการณ์และมีความเชี่ยวชาญด้านควอนตัมในหลายสาขา ทั้งทางด้านทฤษฎีและด้านการทดลอง ด้วยความร่วมมือที่มีอยู่อย่างเหนียวแน่นระหว่างนักวิจัยในสาขาควอนตัมจากหลากหลายสถาบัน ทั้งภายในประเทศและต่างประเทศ หากได้รับการสนับสนุนที่เพียงพอทั้งในด้านทุนวิจัย อุปกรณ์การวิจัย และการพัฒนากำลังคน นักวิจัยเหล่านี้จะสามารถสร้างงานวิจัยแนวหน้าที่สร้างองค์ความรู้ใหม่ที่มีผลกระทบสูงดังเช่นงานวิจัยนี้ให้เกิดขึ้นได้ภายในประเทศไทย

ในส่วนของคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ นั้น ดร.นิธิวดี ไทยเจริญ ร่วมกับ ดร.พิมลพรรณ ส้มเพ็ชร และ ผศ.ดร.นฤพนธ์ ฉัตราภิบาล ได้ก่อตั้งห้องปฏิบัติการการจำลองเชิงควอนตัม (Quantum simulation laboratory) ซึ่งมีเป้าหมายในการสร้างระบบอะตอมเย็นในสถานะริดเบิร์กสำหรับนำมาใช้ในการสร้างแบบจำลองเชิงควอนตัม เพื่อต่อยอดงานวิจัยเดิม นอกจากนี้ ยังมีเป้าหมายในการนำอะตอมในสถานะริดเบิร์กมาใช้ในการสร้างระบบวัดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีขนาดเล็ก และสามารถวัดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าได้ละเอียด เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องมือวัดสนามไฟฟ้าแบบดั้งเดิม โดยอุปกรณ์ที่วางแผนจะพัฒนาสำหรับใช้ในการทดลองนี้ยังสามารถนำไปใช้ในงานวิจัยสาขาอื่น ๆ ที่ต้องการความแม่นยำได้อีกด้วย

ถึงแม้ว่าขณะนี้การศึกษาวิจัยทางด้านเทคโนโลยีควอนตัมในประเทศไทยจะยังอยู่ในช่วงของการพัฒนาองค์ความรู้ใหม่ๆ โดยนักวิจัยระดับแถวหน้า แต่ทว่าในระยะของการเตรียมความพร้อมทางด้านองค์ความรู้และการพัฒนาทรัพยากรบุคคลนี้ กลับเป็นช่วงเวลาทองที่ไม่ควรที่จะถูกมองข้ามความสำคัญเป็นอันขาด เพราะในปัจจุบัน เป็นที่ทราบกันดีว่าประเทศต่าง ๆ ทั่วโลก ได้ให้ความสำคัญอย่างมากต่อการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมในประเทศของตน และในห้วงเวลาถัดไป เราทุกคนจะได้ใช้ชีวิตอยู่ในยุคของควอนตัมอย่างแท้จริง และแน่นอนว่าจะเกิดการเปลี่ยนแปลงอีกมายมายต่อระบบสำคัญ ๆ ของประเทศ อาทิ ระบบสาธารณสุข การเงินการธนาคาร การจราจร การสื่อสาร และอื่น ๆ อีกมายมาย และวันหนึ่งเมื่อตัวเราถูกแวดล้อมไปด้วยเทคโนโลยีควอนตัม แต่เราไม่มีความพร้อม ไม่มีองค์ความรู้เพียงพอที่จะใช้มัน เราจะกลายเป็นผู้ตามและล้าหลังในที่สุด

บทความหลัก
Sebastian Geier, Nithiwadee Thaicharoen, Cl?ment Hainaut, Titus Franz, Andre Salzinger, Annika Tebben, David Grimshandl, Gerhard Z?rn, Matthias Weidem?ller. Floquet Hamiltonian engineering of an isolated many-body spin system. Science, 2021; 374 (6571): 1149 DOI: 10.1126/science.abd9547

อ่านข่าวเพิ่มเติมได้จากเว็บไซต์ Heidelberg University และ Sciencedaily
• https://www.uni-heidelberg.de/en/newsroom/programmable-interaction-between-quantum-magnets?fbclid=IwAR1cDkM423zHQRQrFDhSCOLF0kyI26s-GVshnLNnr0I-DwjZg2vUpWbDa3c
• https://www.sciencedaily.com/releases/2021/11/211129105629.htm

ประวัตินักวิจัย

             ดร.นิธิวดี ไทยเจริญ สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีในปี พ.ศ. 2553 และปริญญาโทในปี พ.ศ. 2555 ด้วยเกียรตินิยมอันดับหนึ่ง (เหรียญทอง) ในสาขาวิชาฟิสิกส์ จากมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ จากนั้นได้ไปศึกษาต่อ ณ ประเทศสหรัฐอเมริกา และได้สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโท สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า และปริญญาเอกสาขาวิชาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2560 จาก University of Michigan, Ann Arbor โดยได้รับทุนตั้งแต่ระดับปริญญาตรีจนถึงปริญญาเอก จากโครงการพัฒนาและส่งเสริมผู้มีความสามารถพิเศษทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (พสวท.) หลังจากนั้นได้ทำงานเป็น Postdoctoral Research Fellows ณ Ruprecht-Karls-Universit?t Heidelberg ประเทศสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมนี เป็นระยะเวลา 2 ปี โดยได้รับคัดเลือกจากสหภาพยุโรปให้ได้รับทุนสนับสนุนงานวิจัยจากโครงการ Marie Sk?odowska-Curie Actions

ดร.นิธิวดี มีประสบการณ์กว่า 10 ปี ในสาขา Experimental Atomic, Molecular and Optical Physics โดยมีความเชี่ยวชาญในเรื่อง Rydberg atoms เน้นศึกษาพลวัตของอะตอม (many-body dynamics) และการควบคุมการดำเนินไปของระบบทางควอนตัมสำหรับใช้ในการจำลองปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ ทั้งยังมีความสนใจงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการจำลองสถานการณ์และการคำนวณเชิงควอนตัม การใช้อะตอมเป็นเครื่องมือวัดสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และเทคนิคการสร้างภาพจากอะตอม

ดร.นิธิวดี มีประสบการณ์ในงานวิจัยทางทัศนศาสตร์เชิงควอนตัม การทำอะตอมเย็น เลเซอร์กำลังสูง ระบบไมโครเวฟ ระบบไฟฟ้าศักย์สูง การเขียนโปรแกรมควบคุมเชิงวิศวกรรม และการเขียนโปรแกรมเพื่อการคำนวณทางควอนตัม ปัจจุบัน (พ.ศ.2564) มีผลงานตีพิมพ์จำนวน 13 เรื่องและสิทธิบัตรจำนวน 1 ฉบับ โดยในปี พ.ศ. 2562 จนถึงปัจจุบัน

ดร.นิธิวดี ได้กลับมาปฏิบัติงานเป็นอาจารย์และนักวิจัย สังกัดโครงการจัดตั้งศูนย์วิจัยเทคโนโลยีควอนตัม คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ และเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งกลุ่มวิจัยการจำลองเชิงควอนตัม (Quantum simulation research group) ณ ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

อีเมล nithiwadee.t@cmu.ac.th