Chuỗi 14 ion bị bẫy và vướng víu. (Ảnh: Đại học Innsbruck).
Các nhà vật lí ở Áo vừa phá kỉ lục về các bit lượng tử - hay qubit - vướng víu có thể một ngày nào đó sẽ hình thành nên nền tảng của máy tính lượng tử. Phá vỡ kỉ lục trước đây của họ làm vướng víu 8 qubit, lần này các nhà nghiên cứu làm vướng víu thành công 14 qubit ion calcium.
Điện toán lượng tử khai thác các định luật kì lạ của ngành vật lí lượng tử để xử lí những phép tính nhất định, thí dụ như tìm kiếm hoặc phân tích thành thừa số, nhanh hơn nhiều so với bất kì máy vi tính nào ngày nay. Trong khi các bit thông tin bình thường chỉ có thể nhận giá trị 0 hoặc 1, thì một qubit của máy tính lượng tử tồn tại trong một sự chồng chất hỗn hợp cả hai trạng thái. Sự bất định này cho phép mọi số qubit, N, kết hợp lại với nhau – hay nói theo ngôn ngữ lượng tử là “bị vướng víu” – biểu diễn 2N kênh hoạt động, và sau đó xử lí song song nhau.
Hồi năm 2005, một nhóm nhà nghiên cứu đứng đầu là Rainer Blatt tại trường Đại học Innsbruck ở Áo đã lập một kỉ lục mới với việc làm vướng víu 8 qubit ion calcium trong một cái bẫy điện từ. Chỉ riêng 8 bit đó đã biểu diễn 28 hay 256 kênh và do đó cho phép một phép tính mà một máy tính bình thường mất một tuần để xử lí được thực hiện chỉ trong vài ba giây đồng hồ.
16.384 kênh
Nay nhóm của Blatt một lần nữa đã phá kỉ lục vướng víu, lần này với 14 qubit, hay tương đương 16.384 kênh. “Nếu người ta muốn tính toán cơ sở động lực học của một hệ như vậy, thì chuyện đó tựa như việc cho phản xạ một quả cầu trong 16.384 chiều không gian”, phát biểu của Thomas Monz, một thành viên của nhóm Blatt. “Những phép tính như vậy trên máy tính cổ điển vẫn là có thể nhưng, tùy thuộc vào hệ thống lượng tử đang nghiên cứu, có thể mất nhiều thời gian tính toán... Đối với các siêu máy tính hiện nay, các mô phỏng [bị hạn chế] đến cỡ 43 qubit”.
Đội Innsbruck đã thực hiện sự vướng víu bằng cách dùng ánh sáng laser thao tác trên 14 ion calcium bên trong một cái bẫy điện từ. Khi họ chiếu laser lên trên các hạt, spin của chúng trở nên tương quan theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ, tạo ra một đơn vị kết hợp.
“Đây là một thí nghiệm rất đẹp, nó cho thấy ưu thế của nhóm Innsbruck trong sự thao tác với những hệ lượng tử phức tạp”, phát biểu của Serge Haroche, một nhà vật lí tại trường Collège de France ở Paris.
Tác dụng phụ không mong muốn
Nhưng nhóm của Blatt còn tìm thấy một tác dụng phụ không mong muốn của sự vướng víu đó. Thông thường, sự vướng víu phân hủy theo kiểu tuyến tính, nghĩa là sự nhiễu từ ngoài sẽ phá hủy sự vướng víu trong một quá trình “mất kết hợp” ở tốc độ tỉ lệ với số qubit. Tăng gấp đôi số qubit thì sự mất kết hợp sẽ diễn ra nhanh gấp đôi. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu nhận thấy trong hệ của họ, tốc độ mất kết hợp tỉ lệ với bình phương số qubit – nói cách khác, nó diễn ra nhanh hơn nhiều.
Cái gọi là “siêu mất kết hợp” này đã được quan sát thấy trước đây, nhưng không thấy “trong một hệ dành riêng cho sự triển khai điện toán lượng tử”, Hennrich nói. Nó có thể mang lại thách thức cho các nhà nghiên cứu hi vọng sử dụng nhiều ion cho sự điện toán lượng tử.
Tuy nhiên, thí nghiệm trên thật sự cho thấy các quy luật vật lí lượng tử thật sự áp dụng được, thậm chí cho 14 hạt. Điều này là quan trọng vì nhiều nhà vật lí, đáng chú ý là Erwin Schrödinger, lo ngại không biết có một số dạng quy luật vật lí mới thúc đẩy sự chuyển tiếp từ thế giới lượng tử, thế giới của cái nhỏ, sang thế giới cổ điển, thế giới của cái lớn, hay không.
Công trình trên “cho thấy rằng ở mức độ 14 hạt vướng víu, không có bằng chứng nào của nền vật lí chưa biết đang tạo ra sự chuyển tiếp lượng-tử-sang-cổ-điển mà Schrödinger và nhiều nhà khoa học khác đã lo lắng”, phát biểu của Dietrich Leibfried, một nhà vật lí lượng tử tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mĩ ở Colorado. “Sự mất kết hợp của tới 14 spin vướng víu có thể hoàn toàn giải thích bằng những nguồn nhiễu đơn giản có mặt trong nghiên cứu thực nghiệm hiện nay”.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Phys. Rev. Lett. 106 130506.
Nguồn: physicsworld.com
