Các trạng thái lượng tử đã được duy trì trong một dụng cụ bán dẫn ở nhiệt độ phòng trong thời gian 39 phút, phá kỉ lục 2 s trước đây. Kì công được lập bởi các nhà vật lí ở Canada, Anh và Đức, họ đã sử dụng các nguyên tử phosphorus trong silicon làm các bit lượng tử - hay qubit. Đột phá này mang lại niềm hi vọng rằng các trạng thái lượng tử vốn dĩ mong manh có thể được làm cho đủ tin cậy để sử dụng trong các máy tính lượng tử thực tiễn hoặc thậm chí dùng trong “tiền tệ lượng tử”.
Các máy tính lượng tử được thiết kế để khai thác quan điểm phản trực giác rằng các vật nhỏ xíu có thể tồn tại ở nhiều hơn một trạng thái cùng một lúc. Thay vì xử lí các bit – hoặc 0 hoặc 1 – những dụng cụ như thế thao tác với các qubit, chúng có thể là 0 hoặc 1 đồng thời. Do đó, trên nguyên tắc, vô số phép tính có thể được thực hiện song song nhau và khiến cho những dụng cụ này nhanh hơn nhiều so với máy vi tính cổ điển.
Nhưng những ai từng cố gắng chế tạo một máy tính lượng tử hoạt động được đều phải đương đầu với thực tế là các qubit có xu hướng hết sức mong manh, nghĩa là thông tin lượng tử mà chúng lưu giữ nhanh chóng bị phá hỏng bởi nhiễu loạn bên ngoài. Một cách khắc phục vấn đề này là làm lạnh qubit đến gần không độ tuyệt đối để giảm thiểu sự phô trước nhiễu nhiệt. Nhưng hoạt động ở những nhiệt độ thấp như thế là rất không có tính thực tiễn, đó là lí do các nhà nghiên cứu tập trung vào tìm kiếm các qubit có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng.
Ảnh minh họa một trạng thái lượng tử “exciton liên kết” mà nhóm của Mike Thewalt sử dụng để chuẩn bị và đọc thông tin lưu trữ trong các spin hạt nhân của các ion phosphorus. (Ảnh: Stephanie Simmons)
Phá kỉ lục
Hệ thống phá kỉ lục mới được chế tạo bởi Mike Thewalt thuộc trường Đại học Simon Fraser cùng các đồng sự, bằng cách lưu trữ thông tin lượng tử trong spin hạt nhân của các nguyên tử phosphorus trong một tinh thể silicon. Quan điểm sử dụng các spin hạt nhân này không có gì mới mẻ và hệ đã được chứng minh là duy trì được thông tin lượng tử trong những thời gian dài ở những nhiệt độ cực thấp. Nhưng dù là ở 10 K, “thời gian kết hợp” này vẫn giảm đến chỉ còn vài mili giây.
Để khắc phục vấn đề này, Thewalt và các đồng sự khai thác thực tế là các nguyên tử phosphorus trong silicon ở nhiệt độ phòng có xu hướng nhường đi các electron của chúng và trở thành các ion dương. Việc loại bỏ các electron cho đi là một liên hệ quan trọng giữa các spin hạt nhân và nhiễu điện xung quanh. Do đó, các spin hạt nhân có thể duy trì thông tin lượng tử trong thời gian lâu hơn nhiều so với trường hợp trong phosphorus trung hòa.
Cái hạn chế là việc loại bỏ các electron làm cho các spin hạt nhân bị cách li đến mức chúng không thể được ‘đọc’ hoặc ‘ghi’ lên. Vì thế, để khắc phục vấn đề này, đội nghiên cứu trước tiên làm lạnh tinh thể của họ xuống 4, 2K và sử dụng laser và các xung vô tuyến (RF) để đưa các nguyên tử phosphorus trung hòa vào những trạng thái lượng tử nhất định. Một xung laser sau đó làm ion hóa các nguyên tử trước khi tinh thể được làm nóng lên đến nhiệt độ phòng (298 K).
Dưới những điều kiện này, các xung RF được dùng để tiến hành một phép đo “tiếng vọng spin” của thời gian kết hợp, kết quả tìm thấy là 39 phút. Tinh thể sau đó được làm lạnh trở lại 4,2 K và một xung laser khác được dùng để trung hòa các ion phosphorus trước khi thông tin lượng tử được đọc ra bởi một chuỗi laser và xung RF.
Mặc dù các phép đo cho biết thời gian kết hợp ở nhiệt độ phòng là 39 phút, nhưng một thành viên đội nghiên cứu, John Morton đến từ trường Đại học College London nói rằng dưới những điều kiện này, các nhà nghiên cứu có thể lấy tinh thể ra khỏi bộ điều nhiệt và mang nó đi khắp phòng thí nghiệm trong khi các spin vẫn giữ được tính kết hợp của chúng. Ngoài ra, lặp lại thí nghiệm với mẫu ở nhiệt độ 4,3 K cho biết thời gian kết hợp kéo dài tới ba giờ.
Stephanie Simmons đến từ Đại học Oxford, một thành viên khác của đội, cho biết rằng trong khi 39 phút “có lẽ không dài lắm”, nhưng chỉ cần 10 micro giây để lật spin hạt nhân của một ion phosphorus – loại hoạt động dùng để chạy các phép tính lượng tử. “Trên lí thuyết, hơn 20 triệu phép tính có thể áp dụng trong thời gian cần thiết cho sự chồng chất phân hủy tự nhiên hết 1%,” bà cho biết.
Morton bổ sung thêm rằng không có chuyện ai đó lại chế tạo một máy tính lượng tử hoạt động xoay vòng giữa 4,2 và 298 K và vì thế các qubit dựa trên các ion phosphorus có khả năng sẽ hoạt động ở những nhiệt độ thấp, nơi thời gian kết hợp kéo dài hơn của chúng sẽ là một vốn quý. Tuy nhiên, ông cho biết một hệ như vậy có thể dùng để tạo ra “tiền tệ lượng tử”, cái trên nguyên tắc sẽ không thể làm giả được.
Số sê-ri của “giấy bạc”, chẳng hạn, có thể được mã hóa vào các spin hạt nhân ở 4,2 K trước khi hệ được làm nóng lên đến nhiệt độ phòng và mang đi sử dụng cho đến khi nó được “xài” bởi sự làm lạnh. Số sê-ri khi đó có thể đọc được, nhưng một kẻ làm giả cố gắng sao chép số sê-ri lượng tử đó sẽ bị cản trở bởi định lí “chống nhân dòng vô tính” của cơ học lượng tử, định lí cấm một trạng thái lượng tử chưa biết bị sao chép.
Mặc dù đội nghiên cứu đã chứng minh rằng các qubit phosphorus ion hóa có thể duy trì trong những thời gian rất dài, nhưng cần có thêm nhiều nghiên cứu trước khi các spin hạt nhân có thể được dùng trong máy tính lượng tử hoặc tiền tệ lượng tử. Các phép đo được thực hiện đồng thời trên một tập hợp gồm khoảng 10 tỉ ion và các nhà vật lí bây giờ phải tìm cách đọc và ghi thông tin lên từng ion – và đồng thời tìm cách cho hai hoặc nhiều ion tương tác với nhau để tạo ra các dụng cụ logic lượng tử.
Thewalt cho biết các nhà vật lí tại trường Đại học New South Wales ở Australia đã tìm ra một cách đọc và ghi thông tin lên từng ion – ngoại trừ là ở nhiệt độ thấp – và hiện đang khảo sát xem chúng có thể bị vướng víu như thế nào. Trong khi đó, đội của Thewalt hiện đang khảo sát các nguyên tử trong silicon, bao gồm arsenic, antimony và bismuth.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.
Theo physicsworld.com
