Năm 1973, nhà vật lý Philip W. Anderson đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của một trạng thái vật chất mới đã trở thành tâm điểm chính của lĩnh vực này, đặc biệt là trong cuộc chạy đua về máy tính lượng tử.
Giáo sư Mikhail Lukin (trái) và Giulia Semeghini, trưởng nhóm nghiên cứu, quan sát trạng thái vật chất được dự đoán và săn lùng trong 50 năm nhưng chưa từng được quan sát trước đó. Bên trong tòa nhà LISE, họ nghiên cứu chất lỏng spin lượng tử bằng cách sử dụng tia laser. Kris Snibbe / Nhiếp ảnh gia nhân viên Harvard. Nhà cung cấp hình ảnh: Kris Snibbe / Nhiếp ảnh gia nhân viên Harvard
Trạng thái kỳ lạ này của vật chất được gọi là chất lỏng spin lượng tử và trái với tên gọi, không liên quan gì đến chất lỏng hàng ngày như nước. Thay vào đó, tất cả là về nam châm không bao giờ đóng băng và cách các electron trong chúng quay. Trong nam châm thường, khi nhiệt độ giảm xuống dưới một nhiệt độ nhất định, các điện tử ổn định và tạo thành một mảnh vật chất rắn có tính chất từ tính. Trong chất lỏng spin lượng tử, các electron không ổn định khi nguội đi, không hình thành chất rắn, và luôn thay đổi và dao động (giống như chất lỏng) ở một trong những trạng thái lượng tử vướng víu nhất từng được hình thành.
Các đặc tính khác nhau của chất lỏng spin lượng tử có những ứng dụng đầy hứa hẹn có thể được sử dụng để phát triển các công nghệ lượng tử như chất siêu dẫn nhiệt độ cao và máy tính lượng tử. Nhưng vấn đề về trạng thái vật chất này đã là chính sự tồn tại của nó. Không ai từng thấy nó — ít nhất, đó là trường hợp đã xảy ra trong gần 50 năm.
Hôm nay, một nhóm các nhà vật lý do Harvard đứng đầu cho biết họ cuối cùng đã ghi lại bằng thực nghiệm trạng thái kỳ lạ được tìm kiếm từ lâu của vật chất. Công trình này được mô tả trong một nghiên cứu mới trên tạp chí Science và đánh dấu một bước tiến lớn trong việc có thể tạo ra trạng thái khó nắm bắt này theo yêu cầu và hiểu biết mới về bản chất bí ẩn của nó.
Mikhail Lukin, Giáo sư Vật lý George Vasmer Leverett, đồng giám đốc Sáng kiến Lượng tử Harvard (HQI), và một trong những tác giả cao cấp của nghiên cứu cho biết: “Đó là một khoảnh khắc rất đặc biệt trong lĩnh vực này. “Bạn thực sự có thể chạm, chọc và thúc vào trạng thái kỳ lạ này và điều khiển nó để hiểu các đặc tính của nó.… Đó là một trạng thái vật chất mới mà con người chưa bao giờ có thể quan sát được.”
Những học được từ nghiên cứu khoa học này một ngày nào đó có thể cung cấp những tiến bộ để thiết kế các vật liệu và công nghệ lượng tử tốt hơn. Cụ thể hơn, các đặc tính kỳ lạ từ chất lỏng spin lượng tử có thể giữ chìa khóa để tạo ra các bit lượng tử mạnh mẽ hơn – được gọi là qubit tôpô – được mong đợi là có khả năng chống lại tiếng ồn và sự can thiệp từ bên ngoài.
“Đó là một giấc mơ trong tính toán lượng tử,” Giulia Semeghini, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Trung tâm Quang học Lượng tử Harvard-Max Planck và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết. “Học cách tạo và sử dụng các qubit tôpô như vậy sẽ đại diện cho một bước quan trọng đối với việc tạo ra các máy tính lượng tử đáng tin cậy.”
Nhóm nghiên cứu đã bắt đầu quan sát trạng thái giống như chất lỏng này của vật chất bằng cách sử dụng trình mô phỏng lượng tử có thể lập trình được mà phòng thí nghiệm ban đầu phát triển vào năm 2017. Trình mô phỏng là một loại máy tính lượng tử đặc biệt cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra các hình dạng có thể lập trình được như hình vuông, tổ ong hoặc hình tam giác. mạng tinh thể để thiết kế các tương tác khác nhau và vướng mắc giữa các nguyên tử siêu lạnh . Nó được sử dụng để nghiên cứu một loạt các quá trình lượng tử phức tạp.
Ý tưởng của việc sử dụng trình mô phỏng lượng tử là có thể tái tạo vật lý vi mô tương tự được tìm thấy trong các hệ vật chất ngưng tụ, đặc biệt là với sự tự do mà khả năng lập trình của hệ thống cho phép.
“Bạn có thể di chuyển các nguyên tử ra xa tùy thích, bạn có thể thay đổi tần số của ánh sáng laser, bạn thực sự có thể thay đổi các thông số của tự nhiên theo cách mà bạn không thể làm được trong vật liệu nơi những thứ này được nghiên cứu trước đó,” cho biết đồng tác giả nghiên cứu Subir Sachdev, Giáo sư Vật lý Herchel Smith và Giáo sư thỉnh giảng xuất sắc hiện nay của Maureen và John Hendricks tại Viện Nghiên cứu Cao cấp. “Ở đây, bạn có thể nhìn vào từng nguyên tử và xem nó đang làm gì.”
Trong nam châm thông thường, các spin điện tử hướng lên hoặc hướng xuống theo một số kiểu đều đặn. Ví dụ, trong nam châm tủ lạnh hàng ngày, tất cả các vòng quay đều hướng về cùng một hướng. Điều này xảy ra bởi vì các vòng quay thường hoạt động theo mô hình hộp kiểm tra và có thể ghép nối để chúng có thể chỉ theo cùng một hướng hoặc xen kẽ các vòng quay, giữ một thứ tự nhất định.
Chất lỏng spin lượng tử không hiển thị thứ tự từ tính đó. Điều này xảy ra bởi vì, về cơ bản, có một vòng quay thứ ba được thêm vào, biến mẫu hộp kiểm tra thành một mẫu hình tam giác. Trong khi một cặp luôn có thể ổn định theo hướng này hay hướng khác, thì trong một tam giác, spin thứ ba sẽ luôn là electron lẻ ra ngoài. Điều này làm cho một nam châm “thất vọng” khi các vòng quay của điện tử không thể ổn định theo một hướng duy nhất.
Semeghini nói: “Về cơ bản, chúng có các cấu hình khác nhau cùng một lúc với xác suất nhất định. “Đây là cơ sở cho sự chồng chất lượng tử.”
Các nhà khoa học Harvard đã sử dụng trình mô phỏng để tạo ra mô hình mạng thất vọng của riêng họ, đặt các nguyên tử ở đó để tương tác và vướng vào nhau. Sau đó, các nhà nghiên cứu có thể đo và phân tích các sợi dây kết nối các nguyên tử sau khi toàn bộ cấu trúc vướng vào nhau. Sự hiện diện và phân tích của những chuỗi đó, được gọi là chuỗi tôpô, biểu thị rằng các mối tương quan lượng tử đang xảy ra và trạng thái lỏng spin lượng tử của vật chất đã xuất hiện.
Công trình dựa trên những dự đoán lý thuyết trước đó của Sachdev và nghiên cứu sinh của ông, Rhine Samajdar, và dựa trên một đề xuất cụ thể của Ashvin Vishwanah, giáo sư vật lý Harvard, và Ruben Verresen, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của HQI. Thí nghiệm được thực hiện với sự hợp tác của phòng thí nghiệm của Markus Griener, đồng giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Max Planck-Harvard về Quang lượng tử và Giáo sư Vật lý George Vasmer Leverett, cùng các nhà khoa học từ Đại học Innsbruck và Máy tính QuEra ở Boston.
Verresen nói: “Sự qua lại giữa lý thuyết và thực nghiệm là vô cùng kích thích. “Đó là một khoảnh khắc tuyệt đẹp khi ảnh chụp nhanh của các nguyên tử được chụp và cấu hình dimer dự đoán đã làm chúng tôi nhìn chằm chằm vào mặt. Có thể nói rằng chúng tôi không mong đợi đề xuất của mình sẽ được thực hiện trong vài tháng tới.”
Sau khi xác nhận sự hiện diện của chất lỏng spin lượng tử, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang ứng dụng có thể có của trạng thái vật chất này để tạo ra các qubit mạnh mẽ. Họ đã thực hiện một thử nghiệm bằng chứng về khái niệm cho thấy một ngày nào đó có thể tạo ra các bit lượng tử này bằng cách đặt các chất lỏng spin lượng tử vào một mảng hình học đặc biệt bằng cách sử dụng trình mô phỏng.
Các nhà nghiên cứu dự định sử dụng trình mô phỏng lượng tử có thể lập trình để tiếp tục nghiên cứu chất lỏng spin lượng tử và cách chúng có thể được sử dụng để tạo ra các qubit mạnh mẽ hơn. Rốt cuộc, qubit là nền tảng cơ bản mà máy tính lượng tử chạy trên đó và là nguồn gốc của sức mạnh xử lý khổng lồ của chúng.
Semeghini nói: “Chúng tôi chỉ ra những bước đầu tiên về cách tạo ra qubit tôpô này, nhưng chúng tôi vẫn cần chứng minh cách bạn có thể mã hóa và thao tác nó thực sự như thế nào. “Bây giờ còn rất nhiều thứ để khám phá.”
Theo Phys.
