Giai đoạn mới của vật chất có thể được sử dụng để thiết kế các máy tính lượng tử tốt hơn nữa. Các nhà khoa học đã lần đầu tiên phát hiện ra một trạng thái vật chất được giả thuyết từ lâu, chưa từng thấy trong phòng thí nghiệm.
Bằng cách bắn tia laze vào một mạng tinh thể siêu lạnh của các nguyên tử rubidi , các nhà khoa học đã thúc đẩy các nguyên tử này vào một mớ hỗn độn của sự không chắc chắn lượng tử được gọi là chất lỏng spin lượng tử.
Các nguyên tử trong súp từ lượng tử này nhanh chóng được kết nối, liên kết trạng thái của chúng trên toàn bộ vật liệu trong một quá trình gọi là rối lượng tử . Điều này có nghĩa là bất kỳ sự thay đổi nào đối với một nguyên tử đều gây ra những thay đổi tức thì đối với tất cả các nguyên tử khác trong vật liệu; Các nhà nghiên cứu cho biết bước đột phá này có thể mở đường cho sự phát triển của các máy tính lượng tử tốt hơn nữa, các nhà nghiên cứu cho biết trong một bài báo mô tả phát hiện của họ vào ngày 3 tháng 12 trên tạp chí Science .
“Đó là một khoảnh khắc rất đặc biệt trong lĩnh vực này”, tác giả cao cấp Mikhail Lukin, giáo sư vật lý tại Đại học Harvard và đồng giám đốc Sáng kiến lượng tử Harvard, cho biết trong một tuyên bố . “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.”
Lý thuyết đầu tiên được đưa ra vào năm 1973 bởi nhà vật lý Philip Anderson, các chất lỏng spin lượng tử xuất hiện khi các vật liệu được cho là không tuân theo các quy tắc thông thường chi phối hành vi từ tính của chúng.
Các electron có một đặc tính gọi là spin, một loại mômen động lượng lượng tử, có thể hướng lên hoặc hướng xuống. Trong nam châm bình thường (như nam châm người ta đặt trên tủ lạnh), các spin của các electron lân cận tự định hướng cho đến khi chúng hướng về cùng một hướng, tạo ra từ trường . Trong các vật liệu phi từ tính, spin của hai electron lân cận có thể lật ngược chiều nhau. Nhưng trong cả hai trường hợp, các cực từ cực nhỏ tạo thành một mô hình đều đặn.
Tuy nhiên, trong chất lỏng spin lượng tử, các điện tử từ chối lựa chọn. Thay vì ngồi cạnh nhau, các electron được sắp xếp thành một mạng tinh thể tam giác, sao cho bất kỳ electron nào đã cho đều có hai lân cận trực tiếp. Hai điện tử có thể sắp xếp các spin của chúng, nhưng một phần ba sẽ luôn luôn là phần lẻ, phá hủy sự cân bằng mong manh và tạo ra một mớ hỗn độn chuyển đổi liên tục của các điện tử bị kích động.
Trạng thái lộn xộn này được các nhà nghiên cứu gọi là nam châm “thất vọng”. Khi các trạng thái spin không còn biết hướng về phía nào, thay vào đó, các electron và nguyên tử của chúng được ném vào một tổ hợp kỳ lạ của các trạng thái lượng tử được gọi là chồng chất lượng tử. Các spin luôn dao động hiện tồn tại đồng thời khi cả quay lên và quay xuống, và sự chuyển đổi liên tục khiến các nguyên tử trên toàn bộ vật chất vướng vào nhau trong một trạng thái lượng tử phức tạp.
Các nhà nghiên cứu không thể nghiên cứu trực tiếp chất lỏng spin lượng tử lý tưởng, vì vậy họ đã tạo ra một bản fax gần như hoàn hảo trong một hệ thống thí nghiệm khác. Họ làm lạnh một mảng gồm 219 nguyên tử rubidi bị mắc kẹt – có thể được sử dụng để thiết kế và mô phỏng các quy trình lượng tử khác nhau – đến nhiệt độ khoảng 10 microkelvin (gần bằng 0 hoặc âm tuyệt đối – 273,15 độ C ° C).
Đôi khi một trong số các electron trong nguyên tử ở mức năng lượng cao hơn nhiều so với các electron khác, đưa nguyên tử vào trạng thái được gọi là trạng thái Rydberg. Giống như với các trạng thái spin, các quy tắc ma quái của cơ học lượng tử đảm bảo rằng một nguyên tử không muốn ở trạng thái Rydberg nếu hàng xóm của nó là vậy. Bằng cách bắn tia laser vào một số nguyên tử nhất định trong mảng, các nhà nghiên cứu đã bắt chước cuộc giằng co ba chiều được thấy trong chất lỏng spin lượng tử truyền thống.
Sau khi tạo ra súp Rydberg lượng tử của họ, các nhà nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm trên mảng và xác nhận rằng các nguyên tử của nó đã vướng vào toàn bộ vật liệu. Họ đã tạo ra một chất lỏng spin lượng tử.
Sau đó, các nhà khoa học chuyển sự chú ý sang một bằng chứng kiểm tra khái niệm cho ứng dụng tiềm năng của nó: thiết kế qubit, hay bit lượng tử, của một máy tính lượng tử. Trong khi máy tính thông thường sử dụng các bit, hoặc 0 và 1 để tạo cơ sở cho tất cả các phép tính, thì máy tính lượng tử sử dụng qubit, có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc. Qubit, tuy nhiên, cực kỳ mong manh; bất kỳ tương tác nào với thế giới bên ngoài đều có thể dễ dàng phá hủy thông tin mà chúng mang theo.
Tuy nhiên, bản chất đặc biệt của sự vướng víu trên toàn vật chất của chất lỏng spin lượng tử có thể cho phép lưu trữ thông tin mạnh mẽ hơn nhiều. Đó là bởi vì thay vì mã hóa thông tin lượng tử chỉ thành một qubit, nó có thể cho phép chứa thông tin trong hình dạng – hoặc cấu trúc liên kết – mà các trạng thái spin vướng víu tạo ra trong bản thân vật chất; tạo một “qubit topo.” Bằng cách mã hóa thông tin theo hình dạng được tạo thành bởi nhiều phần thay vì một phần riêng lẻ, qubit tôpô ít có khả năng mất tất cả thông tin của nó hơn nhiều.
Bằng chứng về khái niệm của các nhà nghiên cứu chỉ tạo ra một qubit tôpô cực nhỏ, dài chỉ vài chục nguyên tử, nhưng trong tương lai, họ hy vọng sẽ tạo ra những hạt lớn hơn, thiết thực hơn nhiều.
Đồng tác giả Giulia Semeghini, nhà vật lý lượng tử tại 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”. “Chúng tôi chỉ ra những bước đầu tiên về cách tạo qubit tôpô này, nhưng chúng tôi vẫn cần chứng minh cách bạn thực sự có thể mã hóa nó và thao tác với nó. Bây giờ còn rất nhiều điều để khám phá.”