Lần đầu tiên sự vướng víu lượng tử đã được tạo ra và được đo giữa các cặp gồm hai loại hạt nhân khác nhau. Được tiến hành bởi hai nhóm nghiên cứu độc lập, công trình trên là một bước tiến trọng yếu hướng đến hiện thực hóa các máy tính lượng tử gốc ion, trong đó các hạt nhân khác nhau tiến hành các tác vụ khác nhau. Một nhóm tại Đại học Oxford ở Anh và nhóm kia tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) ở Boulder, Colorado, Hoa Kì.
Thông tin trong máy tính lượng tử được lưu trữ và truyền tải dưới dạng các bit lượng tử (qubit), chúng có thể là các thực thể như photon hoặc ion. Các qubit sẽ nhanh chóng đánh mất bản chất lượng tử của chúng khi tiếp xúc với thế giới bên ngoài, đó là thách thức lớn cho những ai đang thiết kế máy tính lượng tử. Từng qubit phải tương tác với nhau cho một phép tính lượng tử được xử lí, và vì thế không thể nào hoàn toàn tách li với thế giới bên ngoài.
Bẫy ion được nhóm Dave Wineland tại NIST sử dụng để làm vướng víu hai loại ion khác nhau. Bẫy vàng-trên-nhôm có thể nhìn thấy trong cửa sổ oval ở giữa hình. Cửa sổ oval có bề ngang khoảng 2 cm. (Ảnh: Blakestad/NIST)
Truyền tải thông tin
Một cách giải quyết vấn đề này là sử dụng các loại qubit khác nhau để tiến hành những tác vụ khác nhau bên trong một máy tính lượng tử. Các qubit dễ cách li, chẳng hạn, có thể lưu trữ thông tin, còn các qubit tương tác theo những cách rõ ràng sẽ xử lí dữ liệu. Tuy nhiên, để cho những cơ cấu lai như thế hoạt động, thông tin lượng tử phải được truyền từ một loại qubit này sang loại qubit khác, đòi hỏi những loại qubit khác nhau chịu sự vướng víu cơ lượng tử.
Sự vướng víu cho phép hai hoặc nhiều hạt có nhiều tương quan hơn mức được phép bởi vật lí cổ điển, cho dù chúng ở xa nhau bao nhiêu. Trạng thái của các hạt vướng víu liên hệ chặt chẽ với nhau, sao cho bất kì biến đổi nào tiến hành trên một hạt sẽ ảnh hưởng tức thời đến trạng thái của hạt kia.
Các ion bị bẫy trong một buồng chân không nhỏ xíu là một cách tạo ra một máy tính lượng tử lai như thế. Đây là bởi vì một số ion sẽ tương tác với nhau (và môi trường xung quanh chúng), trong khi những ion khác có thể bị giữ cô lập tương đối. Nay hai đội nghiên cứu độc lập nhau vừa chứng minh rằng các cặp gồm những loại ion khác nhau có thể bị vướng víu.
Chris Ballance và các đồng sự tại Oxford sử dụng hai đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố làm ion của họ: calcium-40 và calcium-43. Trong khi đó tại NIST, Ting Rei Tan, Dave Wineland và đội của họ sử dụng beryllium-9 và magnesium-25. Ánh sáng laser (cùng với vi sóng tại NIST) được sử dụng để tạo ra tương tác “sắt từ” giữa các spin của một cặp gồm hai ion khác nhau cách nhau vài micron. Tương tác này có nghĩa là nếu spin của một ion “hướng lên”, thì spin của ion kia sẽ có xu hướng hướng cùng chiều.
Liên hệ gần
Sau đó, hai đội cần xác nhận rằng hai ion bị vướng víu ở trạng thái sắt từ này.
Cả hai đội đều xác nhận sự vướng víu bằng bất đẳng thức Bell, tức là đo các tương quan giữa spin của hai ion. Ion thứ nhất được đưa vào một trạng thái chồng chất lượng tử vừa spin up vừa spin down. Sau đó tương tác sắt từ được bật. Kết quả là một cặp ion ở trong trạng thái chồng chất lượng tử vừa spin up vừa spin down.
Một phép đo được tiến hành trên ion thứ nhất – buộc nó vào trạng thái hoặc spin up hoặc spin down. Kết quả của phép đo này là ngẫu nhiên; nhưng nếu các ion bị vướng víu, thì kết quả sẽ có tác động có thể đo được lên số đo sau đó của trạng thái spin của ion thứ hai.
Một số tương quan giữa các trạng thái spin được trông đợi từ vật lí cổ điển, và bất đẳng thức Bell đặt một giới hạn trên lên giá trị của nó. Nếu các tương quan có bất kì chút nào mạnh hơn, thì các ion phải bị vướng víu cơ lượng tử. Trong trường hợp này, giới hạn trên cho các tương quan cổ điển là bằng 2, và đội NIST đo được giá trị 2,70 – độ lệch chuẩn đến 40 so với giá trị cổ điển. Đội Oxford thu được giá trị khiêm tốn hơn 2,228 – vẫn lệch chuẩn đến 15 so với kết cục cổ điển.
Giống nhưng khác
Ballance cho biết ion calcium-43 là qubit tốt nhất trên nhiều phương diện, với các bộ nhớ lượng tử ion độc thân có thể lưu trữ thông tin lượng tử trong khoảng một phút. Calcium-40, trái lại, thích hợp hơn trong việc tương tác với các photon ánh sáng, thành ra có thể dùng để truyền thông tin lượng tử trong nội bộ một máy tính lượng tử và từ máy tính lượng tử này sang máy tính lượng tử khác. Ballance còn cho biết một ưu điểm của việc sử dụng các ion là đồng vị của cùng một nguyên tố là các các đồng vị đó đủ giống nhau để xử lí theo cách giống nhau trong bẫy ion.
“Mỗi chủng ion là độc nhất,” Tan nói. “Những chủng nhất định là thích hợp hơn cho những tác vụ nhất định như lưu trữ bộ nhớ, trong khi những chủng khác thì thích hợp hơn để truyền tải dữ liệu giữa các hệ ở xa nhau.”
Nghiên cứu của hai nhóm được công bố trong hai bài báo độc lập trên tạp chí Nature.
Nguồn: physicsworld.com
