Giới hạn tốc độ trên xa lộ lượng tử

Các nhà vật lí tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck vừa đo được vận tốc truyền của các tín hiệu lượng tử trong một hệ nhiều vật.

Máy tính lượng tử hoạt động dựa trên các hạt lượng tử thay cho các bit cổ điển, trên nguyên tắc có thể qua mặt bất kì máy vi tính cổ điển nào. Tuy nhiên, vẫn còn đó một câu hỏi bỏ ngỏ: máy tính lượng tử thật sự có thể hoạt động nhanh bao nhiêu và hiệu quả bao nhiêu. Một giới hạn quan trọng là vận tốc mà một tín hiệu có thể lan đi bên trong một đơn vị xử lí. Lần đầu tiên một nhóm nhà vật lí thuộc phân viện Các hệ Nhiều vật Lượng tử tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck (Garching, gần Zurich), hợp tác với các nhà vật lí lí thuyết tại trường Đại học Geneva (Thụy Sĩ), đã thành công trong việc quan sát một quá trình như thế trong một hệ kiểu chất rắn. Các nhà vật lí đã tạo ra một mạng nguyên tử rubidium có trật tự hoàn hảo và sau đó gây ra một kích thích lượng tử - một cặp “vướng víu” gồm một nút mạng bị chiếm giữ kép liền kề với một lỗ trống. Với sự hỗ trợ của kính hiển vi, họ đã quan sát tín hiệu di chuyển như thế nào từ nút mạng này sang nút mạng khác. “Phép đo này giúp chúng ta nhìn rõ hơn những quá trình hết sức cơ bản trong sự truyền và xử lí thông tin lượng tử,” giáo sư Immanuel Bloch phát biểu.

Sự truyền và xử lí thông tin trong máy tính lượng tử hoạt động trên những khái niệm vốn dĩ khác với những khái niệm dùng trong máy vi tính cổ điển. Đây là do những khác biệt cơ bản giữa các hạt lượng tử và các vật cổ điển. Trong khi các vật cổ điển, chẳng hạn, hoặc đen hoặc trắng, thì các hạt lượng tử có thể nhận hai màu cùng một lúc. Chỉ tại lúc tiến hành đo thì các hạt lượng tử mới “chọn” một trong hai tính chất có thể có đó. Là hệ quả của hành trạng kì lạ này, hai đối tượng lượng tử có thể tạo nên một trạng thái vướng víu trong đó các tính chất của chúng liên hệ chặt chẽ với nhau, tức là tương liên lượng tử. Hiện nay, chưa có mô hình khái quát nào dự đoán một tương liên lượng tử có thể truyền bao nhanh sau khi nó được tạo ra.

Sự truyền các tương liên lượng tử trong một mạng quang. Bên trái: ảnh minh họa. Bên phải: a) Ở trạng thái ban đầu, mỗi nút mạng được lấp đầu bởi đúng một nguyên tử. Chiều cao của hàng rào thế giữa các nút mạng sau đó bất ngờ giảm đi, mang hệ ra khỏi trạng thái cân bằng. b) Sau khi hàng rào thế hạ xuống, một cặp doulon-holon vướng víu được hình thành. Các doublon và holon vướng víu đi qua hệ với xung lượng ngược nhiều.

Nay các nhà vật lí ở phân viện Các hệ Nhiều vật Lượng tử đã có thể quan sát trực tiếp một quá trình như vậy. Họ bắt đầu thí nghiệm với việc tạo ra một chất khí cực lạnh gồm những nguyên tử rubidium. Sau đó, tập hợp nguyên tử được giữ trong một trường ánh sáng chia nó ra thành một vài tuyến một chiều song song nhau. Rồi các ống sáng đó được đặt trong một trường ánh sáng khác, một sóng ánh sáng laser dừng. Trước những mảng sáng và tối tuần hoàn, các nguyên tử buộc phải hình thành một cấu trúc mạng: đúng một nguyên tử bị bắt giữ trong mỗi đốm sáng, và phân cách với nguyên tử láng giềng bởi một mảng tối tác dụng như một hàng rào thế.

Cho thay đổi cường độ của ánh sáng laser điều khiển độ cao của hàng rào thế này. Lúc bắt đầu thí nghiệm, hàng rào thế được lập một giá trị ngăn không cho các nguyên tử chuyển động sang một nút mạng láng giềng. Sau đó, trong một thời gian rất ngắn, chiều cao của hàng rào thế được hạ xuống sao cho hệ đi ra khỏi trạng thái cân bằng và các kích thích cục bộ phát sinh: Dưới những điều kiện mới đó, nguyên tử này hoặc nguyên tử khác được phép “chui hầm” qua hàng rào thế và đi tới nút mạng lân cận của nó. Nếu quá trình này xảy ra, thì các cặp vướng víu được tạo ra, mỗi cặp gồm một nút mạng bị chiếm giữ kép, cái gọi là doublon, và một lỗ trống, gọi là holon. Theo một mô hình phát triển bởi các nhà vật lí lí thuyết ở trường Đại học Geneva, dưới sự lãnh đạo của giáo sư Corinna Kollath, cả doublon và holon đều chuyển động trong hệ - theo chiều ngược nhau – như thể chúng là những hạt thật sự. “Xét một cặp vướng víu, không thể nói doublon nằm bên trái hay bên phải của holon. Cả hai cấu hình có mặt đồng thời,” tiến sĩ Marc Cheneau giải thích. “Tuy nhiên, một khi tôi quan sát một nút mạng bị chiếm giữ kép hoặc một nút mạng trống, tôi biết chính xác nơi tìm thấy đối tác của nó. Đây là sự tương liên mà chúng tôi đang nói tới.”

Giờ thì các nhà khoa học quan sát các tương liên đó được mang đi như thế nào trong hệ. Sử dụng một kĩ thuật hiển vi mới, họ có thể ghi ảnh trực tiếp từng đơn nguyên tử trên nút mạng của chúng. Nói đơn giản thì họ đã thực hiện một loạt ảnh chụp nhanh mỗi ảnh cho thấy vị trí tức thời của các doublon và holon. Vận tốc truyền của sự tương liên này có thể suy luận ra từ khoảng cách mà hai “hạt” đã đi ra xa nhau trong một khoảng thời gian nhất định. Kết quả thí nghiệm phù hợp rất tốt với dự đoán của mô hình đã nói ở trên.

“Miễn là thông tin lượng tử được trao đổi bằng những lượng tử ánh sáng thì như chúng ta biết, quá trình này được thực hiện với tốc độ ánh sáng,” tiến sĩ Cheneau nói. “Tuy nhiên, nếu các bit lượng tử hay thanh ghi lượng tử hoạt động dựa trên những cấu trúc rắn, thì mọi thứ có khác đi. Ở đây, sự tương liên lượng tử phải truyền thẳng từ bit này sang bit khác. Một khi chúng ta biết quá trình này có thể xảy ra bao nhanh, thì chúng ta có trong tay chìa khóa để tìm hiểu những cái gì sẽ hạn chế tốc độ của các máy tính lượng tử trong tương lai.”

Tham khảo: Marc Cheneau, Peter Barmettler, Dario Poletti, Manuel Endres, Peter Schauß, Takeshi Fukuhara, Christian Gross, Immanuel Bloch, Corinna Kollath and Stefan Kuhr, Light-cone-like spreading of correlations in a quantum many-body system, Nature, DOI:10.1038/nature10748

KaDick – thuvienvatly.com
Nguồn: Max-Planck-Gesellschaft

Bài trước | Bài kế tiếp