Vật mô phỏng lượng tử” kĩ thuật số đầu tiên xây dựng trên các ion bị bẫy vừa được các nhà vật lí ở Áo chế tạo. Hệ trên, do Ben Lanyon cùng đồng nghiệp tại trường Đại học Innsbruck phát triển, gồm một số ion calcium bị bẫy thao tác bằng chuỗi xung laser. Đội nghiên cứu đã sử dụng hệ trên để mô phỏng sự diễn tiến theo thời gian của một số hệ nhiều hạt.
Một vật mô phỏng lượng tử sử dụng một hệ lượng tử để mô phỏng hành trạng của hệ khác, khó truy xuất hơn. Thí dụ, bằng cách điều khiển tỉ mỉ ánh sáng laser và từ trường bẫy một tập hợp những nguyên tử cực lạnh, các nhà nghiên cứu có thể điều khiển sự tương tác giữa các nguyên tử - và do đó, mô phỏng những tương tác xảy ra giữa các electron trong chúng ta. Nhưng không giống như các electron trong chất khí, độ lớn của những tương tác này có thể dễ dàng điều chỉnh, cho phép các nhà vật lí kiểm tra những lí thuyết của ngành vật lí vật chất ngưng tụ.
Ảnh minh họa những xung laser đang điều khiển một vật mô phỏng lượng tử kĩ thuật số 6 ion. (Ảnh: Harald Ritsch)
Tương tự với kĩ thuật số
Đa số các vật mô phỏng lượng tử là “vật tương tự” theo nghĩa là các tương tác giữa các nguyên tử bị bẫy tương tự trực tiếp với các tương tác giữa các electron. Một vật mô phỏng lượng tử kĩ thuật số, trái lại, chứa một tập hợp những hạt lượng tử đang tương tác tác dụng như những bit lượng tử (qubit) và có thể dùng để tạo ra các cổng lôgic lượng tử. Hệ lượng tử được mô phỏng khi đó được mã hóa vào trong hệ và hành trạng của các electron được xác định bằng cách thực hiện một phép tính lượng tử.
Không giống như những vật mô phỏng tương tự, chúng xử lí những hệ đặc biệt, một vật mô phỏng lượng tử có thể dùng để nghiên cứu một ngưỡng rộng những hệ lượng tử. Ngoài ra, các vật mô phỏng lượng tử có thể hưởng loại từ các kế hoạch sửa lỗi, nghĩa là các nhà vật lí có thể đảm bảo hơn về kết quả của họ.
Nhưng trong khi các nhà nghiên cứu đã có một số thành công nhất định trong việc tạo ra những vật mô phỏng lượng tử kĩ thuật số bằng những kĩ thuật cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), nhưng những vật này chỉ có hai hoặc ba qubit và khó tăng cỡ lên 40 hoặc ngần ấy qubit cần thiết để thực thi một mô phỏng lượng tử có ích. Vật mô phỏng lượng tử ion bẫy mới trên do Lanyon cùng đồng nghiệp tạo ra cho thấy, trên nguyên tắc, người ta dễ tăng cỡ một hệ như thế hơn nhiều để thực hiện những mô phỏng có ích.
Dễ dàng thay đổi cỡ
Thí nghiệm của đội bắt đầu với một số lượng nhỏ ion calcium (tối đa là 6) sắp thành một hàng trong một cái bẫy điện từ. Mỗi ion có thể tồn tại trong hai trạng thái điện tử - “0” và “1” – và do đó, có thể tác dụng như một qubit. Sự tương tác giữa từng ion có thể điều khiển bằng cách chiếu thận trọng những xung laser chọn lọc vào những ion bị bẫy đó.
Một phép tính bắt đầu bởi việc đưa các ion vào một trạng thái lượng tử nhất định. Trong một thí nghiệm dùng 4 ion, chẳng hạn, mỗi qubit được gán cho giá trị “1”. Sau đó, chiếu một chuỗi xung laser vào các ion, làm cho chúng tương tác với nhau, tạo thành một chuỗi cổng lôgic xử thông tin lượng tử giữ trong trạng thái ban đầu.
Chính chuỗi này mô phỏng những tương tác xảy ra trong một hệ lượng tử thật (hay tưởng tượng). Trong thí dụ đặc biệt này, các qubit dùng để mô phỏng bốn hạt spin ½ trong đó spin của từng hạt có thể tương tác với ba hạt kia.
Nghiệm gần đúng
Lanyon cùng đồng nghiệp quan tâm việc tính toán sự diễn biến theo thời gian của các spin, công việc đặc biệt khó thực hiện với máy vi tính cổ điển. Để làm như vậy, đội áp dụng “phép gần đúng Trotter” cho hệ của họ. Chiếu một chuỗi xung giả lập sự diễn tiến của hệ trong một khoảng thời gian nhất định trước khi giá trị của các qubit được đọc ra. Sau đó, hệ được thiết lập lại và một mô phỏng giống hệt được lặp lại nhiều lần để thu giá trị trung bình cho các qubit – đó là một nghiệm gần đúng cho bài toán đang mô phỏng.
Toàn bộ quá trình này sau đó được lặp lại để mô phỏng một số khoảng thời gian khác nhau, xây dựng nên bản đồ diễn tiến theo thời gian của các spin. Các mô phỏng diễn tiến theo thời gian được thực hiện với những qubit 6 ion bị bẫy và tạo đến 100 cổng lượng tử.
Hướng đến nền hóa học lượng tử
“Sáu qubit và 100 cổng cho sự mô phỏng lượng tử là một kì công đặt nền tảng cho những mô phỏng lượng tử kĩ thuật số phức tạp và phong phú hơn trong tương lai”, phát biểu của Alán Aspuru-Guzik thuộc trường Đại học Harvard ở Mĩ. “Cái Ben Lanyon cùng đồng nghiệp của ông đã làm là triển khai một trong những viên gạch cấu trúc quan trọng nhất cho sự mô phỏng lượng tử, cái chúng ta gọi là “bước Trotter” theo nghĩa chung. Đây là một trong những viên gạch cấu trúc thiết yếu và cần có để thực hiện cơ sở hóa học lượng tử chính xác trên các máy vi tính lượng tử, khi chúng trở nên đủ mạnh”.
Lanyon cho biết thách thức tiếp theo của nhóm ông là thực hiện những mô phỏng với 10 hoặc nhiều ion hơn. Tạo ra một hệ như thế không có gì khó – đội nghiên cứu đã bẫy và làm vướng víu nhiều đến 14 ion. Tuy nhiên, thực hiện những số lượng lớn phép tính trên các ion là không dễ dàng gì do các qubit có xu hướng mấtbanr chất lượng tử của chúng theo thời gian khi chúng tương tác với môi trường của chúng.
Nguồn: physicsworld.com
