Yếu tố nào xác định tốc độ một máy tính lượng tử có thể thực hiện các phép tính của nó? Các nhà vật lý tại Đại học Bonn và Viện Công nghệ Technion – Israel đã nghĩ ra một thí nghiệm thanh lịch để trả lời câu hỏi này. Kết quả của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances.
Máy tính lượng tử là những cỗ máy có độ tinh vi cao dựa trên các nguyên tắc của cơ học lượng tử để xử lý thông tin. Điều này sẽ cho phép chúng xử lý các vấn đề nhất định trong tương lai mà đối với các máy tính thông thường hoàn toàn không thể giải quyết được. Nhưng ngay cả đối với máy tính lượng tử, các giới hạn cơ bản áp dụng cho lượng dữ liệu mà chúng có thể xử lý trong một thời gian nhất định.
Cổng lượng tử yêu cầu thời gian tối thiểu
Thông tin được lưu trữ trong các máy tính thông thường có thể được coi là một chuỗi dài các số không và một là các bit. Trong cơ học lượng tử thì khác: Thông tin được lưu trữ trong các bit lượng tử (qubit), giống như một làn sóng chứ không phải là một chuỗi các giá trị rời rạc. Các nhà vật lý cũng nói về các hàm sóng khi họ muốn biểu diễn chính xác thông tin chứa trong qubit.
Trong một máy tính truyền thống, thông tin được liên kết với nhau bằng cái gọi là cổng. Kết hợp một số cổng cho phép tính toán cơ bản, chẳng hạn như cộng hai bit. Thông tin được xử lý theo cách rất giống trong máy tính lượng tử, nơi các cổng lượng tử thay đổi hàm sóng theo các quy tắc nhất định.
Tiến sĩ Andrea Alberti thuộc Viện Vật lý Ứng dụng tại Đại học Bonn giải thích: “Ngay cả trong thế giới lượng tử, các cổng không hoạt động nhanh vô hạn”. “Chúng yêu cầu một lượng thời gian tối thiểu để biến đổi hàm sóng và thông tin mà hàm này chứa đựng.”
Hơn 70 năm trước, các nhà vật lý Liên Xô Leonid Mandelstam và Igor Tamm đã suy luận về mặt lý thuyết thời gian tối thiểu này để biến đổi hàm sóng. Các nhà vật lý tại Đại học Bonn và Technion hiện đã lần đầu tiên nghiên cứu giới hạn Mandelstam-Tamm này bằng một thí nghiệm trên một hệ lượng tử phức tạp. Để làm được điều này, họ đã sử dụng các nguyên tử xêzi di chuyển một cách có kiểm soát cao. “Trong thí nghiệm, chúng tôi để các nguyên tử riêng lẻ lăn xuống như những viên bi trong một cái bát nhẹ và quan sát chuyển động của chúng,” Alberti, người đứng đầu cuộc nghiên cứu thí nghiệm, giải thích.
Nguyên tử có thể được mô tả một cách máy móc lượng tử như sóng vật chất. Trong cuộc hành trình đến đáy của bát ánh sáng, thông tin lượng tử của chúng thay đổi. Các nhà nghiên cứu hiện muốn biết khi nào thì “biến dạng” này có thể được xác định sớm nhất. Lần này sẽ là bằng chứng thực nghiệm về giới hạn Mandelstam-Tamm. Tuy nhiên, vấn đề của điều này là: trong thế giới lượng tử, mọi phép đo vị trí của nguyên tử chắc chắn sẽ làm thay đổi sóng vật chất theo một cách không thể đoán trước. Vì vậy, nó luôn trông giống như viên bi đã bị biến dạng, bất kể phép đo được thực hiện nhanh đến mức nào. “Do đó, chúng tôi đã nghĩ ra một phương pháp khác để phát hiện độ lệch so với trạng thái ban đầu,” Alberti nói.
Với mục đích này, các nhà nghiên cứu bắt đầu tạo ra một bản sao của sóng vật chất, hay nói cách khác là một bản sao gần như chính xác. “Chúng tôi đã sử dụng xung ánh sáng nhanh để tạo ra cái gọi là chồng chất lượng tử của hai trạng thái nguyên tử,” Gal Ness, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Technion và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu giải thích. “Nói một cách hình tượng, nguyên tử hoạt động như thể nó có hai màu khác nhau cùng một lúc.” Tùy thuộc vào màu sắc, mỗi đôi nguyên tử chiếm một vị trí khác nhau trong tô sáng: Một cái ở trên cao ở rìa và “lăn” xuống từ đó. Ngược lại, cái còn lại đã ở dưới đáy bát. Cặp song sinh này không di chuyển – xét cho cùng, nó không thể cuộn các bức tường và do đó không thay đổi chức năng sóng của nó.
Các nhà vật lý đã so sánh hai bản sao trong khoảng thời gian đều đặn. Họ đã làm điều này bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là giao thoa lượng tử, cho phép phát hiện rất chính xác sự khác biệt về sóng. Điều này cho phép họ xác định sau khoảng thời gian nào thì lần đầu tiên xảy ra sự biến dạng đáng kể của sóng vật chất.
Hai yếu tố xác định giới hạn tốc độ
Bằng cách thay đổi độ cao so với đáy bát khi bắt đầu thí nghiệm, các nhà vật lý cũng có thể kiểm soát năng lượng trung bình của nguyên tử. Trung bình bởi vì, về nguyên tắc, số lượng không thể được xác định chính xác. Do đó “năng lượng vị trí” của nguyên tử luôn không chắc chắn. “Chúng tôi đã có thể chứng minh rằng thời gian tối thiểu để sóng vật chất thay đổi phụ thuộc vào sự không chắc chắn về năng lượng này,” Giáo sư Yoav Sagi, người lãnh đạo nhóm đối tác tại Technion, cho biết: “Độ không chắc chắn càng lớn, thời gian Mandelstam-Tamm càng ngắn. ”
Đây chính là điều mà hai nhà vật lý Liên Xô đã dự đoán. Nhưng cũng có một tác động thứ hai: Nếu độ không đảm bảo năng lượng ngày càng tăng cho đến khi nó vượt quá năng lượng trung bình của nguyên tử, thì thời gian tối thiểu sẽ không giảm thêm nữa – trái với những gì giới hạn Mandelstam-Tamm thực sự đề xuất. Do đó, các nhà vật lý đã chứng minh được giới hạn tốc độ thứ hai, giới hạn này về mặt lý thuyết đã được phát hiện cách đây khoảng 20 năm. Do đó, giới hạn tốc độ cuối cùng trong thế giới lượng tử không chỉ được xác định bởi độ không đảm bảo năng lượng mà còn bởi năng lượng trung bình.
“Đây là lần đầu tiên cả hai ranh giới tốc độ lượng tử có thể được đo cho một hệ thống lượng tử phức tạp, và thậm chí trong một thí nghiệm duy nhất,” Alberti hào hứng. Máy tính lượng tử trong tương lai có thể giải quyết các vấn đề nhanh chóng, nhưng chúng cũng sẽ bị hạn chế bởi những giới hạn cơ bản này.
Theo: Eurasiareview.
