Một trạng thái kỳ lạ và hoàn toàn mới của vật chất được gọi là chất lỏng spin lượng tử đã được đưa ra giả thuyết trong nhiều thập kỷ, và giờ đây, các nhà khoa học lần đầu tiên có thể quan sát nó trong phòng thí nghiệm.
Phần ‘chất lỏng’ đề cập đến các electron liên tục thay đổi và dao động bên trong vật liệu từ tính ở nhiệt độ thấp. Không giống như nam châm thông thường, trong trường hợp này, các electron không ổn định hoặc cố định vào mạng cấu trúc của chất rắn khi chúng được làm lạnh.
“Spin lượng tử” đề cập đến sự định hướng của mômen động lượng (lên hoặc xuống) do các hạt mang theo, chúng vướng vào các cặp có spin đối nghịch. Giờ đây, trạng thái này đã được quan sát lần đầu tiên, người ta hy vọng rằng khám phá này có thể thúc đẩy sự phát triển của máy tính lượng tử.
Nhà vật lý lượng tử Mikhail Lukin đến từ Đại học Harvard ở Massachusetts 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.”
Nam châm bình thường có các electron mà spin của chúng được định hướng theo cùng một hướng lên hoặc xuống, đó là thứ tạo ra từ tính.
Trong chất lỏng spin lượng tử, một điện tử thứ ba được đưa vào, vì vậy trong khi hai spin trái dấu sẽ ổn định lẫn nhau, spin từ điện tử thứ ba ném ra khỏi sự cân bằng. Nó tạo ra một nam châm ‘thất vọng’ nơi tất cả các vòng quay không thể ổn định theo một hướng.
Để tạo ra mô hình mạng tinh thể thất vọng của riêng họ, nhóm đã sử dụng một trình mô phỏng lượng tử có thể lập trình được xây dựng vào năm 2017. Trình mô phỏng sử dụng một chương trình máy tính lượng tử để giữ các nguyên tử ở các hình dạng tùy chỉnh bằng cách sử dụng tia laser – như hình vuông, hình tam giác hoặc tổ ong – và có thể được sử dụng để thiết kế các các tương tác và quá trình lượng tử.
Trình mô phỏng sử dụng chùm tia laze hội tụ chặt chẽ để sắp xếp các nguyên tử riêng lẻ, và bằng cách sắp xếp các nguyên tử của rubidi trong một mạng lưới hình tam giác, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra một nam châm thất vọng với các đặc tính của rối lượng tử – nơi những thay đổi trong một nguyên tử được khớp trong một giây nguyên tử vướng víu.
Mối liên hệ giữa các nguyên tử chỉ ra rằng một chất lỏng spin lượng tử đã thực sự được tạo ra.
“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,” Nhà vật lý lượng tử Subir Sachdev , từ Đại học Harvard, nói.
“Ở đây, bạn có thể nhìn vào từng nguyên tử và xem nó đang làm gì.”
Máy tính lượng tử được xây dựng trên các bit hoặc qubit lượng tử, và người ta hy vọng rằng chất lỏng spin lượng tử sẽ giúp phát triển các qubit tôpô: các qubit được bảo vệ tốt hơn trước tiếng ồn và sự can thiệp từ bên ngoài.
Đối với một máy tính lượng tử, điều đó cực kỳ quan trọng. Những hệ thống này có thể rất tinh vi, và để chúng hoạt động trong thời gian dài mà không có lỗi là một trong những thách thức lớn nhất mà các nhà khoa học đang nghiên cứu .
Giờ đây, chất lỏng spin lượng tử đã được phát hiện lần đầu tiên, nó sẽ giúp tìm ra cách tạo ra qubit mạnh nhất có thể. Các nhà nghiên cứu nói rằng bây giờ còn rất nhiều điều để khám phá.
Nhà vật lý lượng tử Giulia Semeghini từ Đại học Harvard 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.”
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science.
Theo: Sciencealert.
