Con mèo của Schrödinger, một biểu tượng lâu nay của cơ học lượng tử, vừa được cứu thoát! Bằng cách thực hiện những phép đo liên tục nhưng yếu thôi của một hệ lượng tử, các nhà vật lí đã có thể khảo sát một trạng thái lượng tử tinh vi mà không phá hỏng nó – hay nói ví von là nhìn trộm con mèo ẩn dụ của Schrodinger mà không làm nó chết. Kết quả giúp người ta dễ xử lí hơn với những hệ như máy tính lượng tử khai thác những tính chất kì lạ của thế giới lượng tử.
Các đối tượng lượng tử có một tính chất kì lạ nhưng hữu ích là có thể tồn tại trong nhiều trạng thái cùng lúc, một hiện tượng gọi là sự chồng chất. Nhà vật lí Erwin Schrödinger đã minh họa những hàm ý lạ lùng của sự chồng chất bằng cách tưởng tượng ra một con mèo ở trong một cái hộp có số phận tùy thuộc vào một nguyên tử phóng xạ. Vì sự phân hủy của nguyên tử đó bị chi phối bởi cơ học lượng tử - và vì thế nhận một giá trị rõ ràng khi nó được đo – nên con mèo đó, bằng cách nào đó, vừa sống vừa chết cho đến khi cái hộp được mở ra.
Trên lí thuyết, sự chồng chất có thể cho phép các máy tính lượng tử thực hiện các phép tính song song bằng cách lưu giữ thông tin trong các bit lượng tử, hay qubit. Không giống như các bit thông thường, qubit không nhận một giá trị 1 hoặc 0, mà thay vậy nó tồn tại ở dạng hỗn hợp của hai giá trị, chỉ nhận một giá trị rõ ràng 1 hoặc 0 khi nó được đo.
Nhưng những hệ chồng chất như vậy thường rất mong manh. Đó là một viên gạch vấp chân đối với các nhà khoa học máy tính lượng tử, những người cần đến những trạng thái lượng tử tồn tại đủ lâu để thực hiện các phép tính.
Phép đo tinh vi
Các nhà nghiên cứu đã đề xuất rằng, trên nguyên tắc, có thể tiến hành những phép đo đủ “tinh vi” để không phá hỏng sự chồng chất. Quan điểm là đo cái chưa cho biết hẳn một bit là 1 hay 0 – tương đương với việc nhìn vào con mèo Schrödinger qua một tấm kính mờ đục. Cách này không cho phép bạn có được một mẩu thông tin “mạnh” – nghĩa là không biết được con mèo là sống hay chết – nhưng bạn có thể phát hiện ra những tính chất khác.
R. Vijay thuộc trường Đại học California, Berkeley, và các đồng sự đã thành công trong việc tạo ra một tương đương thực tế của những tấm kính mờ đục đó. “Chúng tôi chỉ mới mở ra một góc hộp,” Vijay nói.
Đội khoa học bắt đầu với một mạch bán dẫn nhỏ xíu thường dùng làm qubit trong máy tính lượng tử, và đặt nó vào sự chồng chất bằng cách xoay vòng trạng thái của nó giữa 0 và 1 sao cho nó lặp lại mọi tổ hợp có thể có của các trạng thái.
Sau đó, đội nghiên cứu đo tần số của dao động này. Đây vốn dĩ là một phép đo yếu hơn việc xác định bit đó nhận giá trị 1 hoặc 0 tại bất kì điểm nào, nên quan điểm là có thể làm như vậy mà không buộc qubit đó chọn giữa một giá trị 1 hoặc 0. Tuy nhiên, nó cũng phát sinh một sự phức tạp.
Máy điều hòa nhịp tim lượng tử
Mặc dù phép đo đủ tinh vi để không phá hỏng sự chồng chất lượng tử, nhưng phép đo thật sự làm thay đổi ngẫu nhiên tốc độ dao động. Sự thay đổi này không thể nào dự đoán trước, nhưng đội nghiên cứu đã có thể thực hiện phép đo rất nhanh, cho phép các nhà nghiên cứu đưa vào một sự thay đổi tương đương và ngược lại vào hệ để đưa tần số của qubit trở lại giá trị mà nó có nếu như nó không được đo gì hết.
Sự hồi tiếp này tương tự như cái xảy ra trong một máy điều hòa nhịp tim: nếu hệ lệch quá xa khỏi trạng thái như mong muốn, cho dù đó là một nhịp tim ổn định hay một sự chồng chất của 1 và 0, bạn có thể thúc nó trở lại mức nó nên ở.
Đội của Vijay không phải là đội đầu tiên đi tới quan điểm này sử dụng sự hồi tiếp để khảo sát một hệ lượng tử, nhưng yếu tố hạn chế trước đây là những phép đo đủ yếu để bảo toàn hệ cho những tín hiệu quá nhỏ để phát hiện và hiệu chỉnh, còn những phép đo mạnh hơn thì đưa thêm nhiễu vào hệ quá lớn không điều khiển được.
Hiệu chỉnh sai số
Vijay và các đồng sự đã sử dụng một loại máy khuếch đại mới cho phép họ thu lấy tín hiệu mà không làm hỏng nó. Họ tìm thấy rằng qubit của họ vẫn ở trong trạng thái dao động của nó trong suốt thời gian chạy thí nghiệm. Thời gian đó chỉ khoảng một phần trăm của một giây – nhưng cái quan trọng là qubit đã sống sót trong quá trình đo.
“Minh chứng này cho thấy chúng ta gần như đã có mặt ở đó, theo chỗ có thể bổ sung các điều khiển sai số lượng tử,” Vijay nói. Những điều khiển như thế có thể sử dụng để kéo dài sự chồng chất của các qubit trong sự điện toán lượng tử, bằng cách thúc tự động lên những qubit sắp co sập.
Kết quả trên là chưa hoàn hảo, nhưng nó là bước đệm hướng đến việc cứu sống các qubit trong những phép đo lượng tử.
Tham khảo: DOI: 10.1038/nature11505
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: New Scientist
