Tia laze có thể làm được nhiều việc hơn là chỉ làm nóng mọi thứ; họ cũng có thể hạ nhiệt. Điều đó không có gì mới đối với các nhà vật lý, những người đã cống hiến hết mình cho quang phổ chính xác và sự phát triển của đồng hồ nguyên tử quang học. Nhưng điều mới mẻ là nhiệt độ cực thấp mà các nhà nghiên cứu tại Viện QUEST tại Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) đã có thể tiếp cận với các ion tích điện cao của chúng — loại ion này chưa bao giờ bị hạ nhiệt tới 200 µK trước đây . Nhóm nghiên cứu về vấn đề này đã thành công bằng cách kết hợp các phương pháp đã được thiết lập của họ, bao gồm làm mát bằng laser của các ion được ghép nối và các phương pháp từ lĩnh vực tính toán lượng tử. Việc áp dụng các thuật toán lượng tử đảm bảo rằng các ion quá khác nhau để làm mát bằng laser truyền thống hoạt động hiệu quả có thể được làm mát cùng nhau. Điều này có nghĩa là chúng ta đang tiến gần hơn đến đồng hồ nguyên tử quang học với các ion tích điện cao, và đồng hồ này có thể có tiềm năng thậm chí còn chính xác hơn đồng hồ nguyên tử quang học hiện có. Các kết quả đã được công bố trong số hiện tại của Physical Review X .
Nếu bạn muốn khảo sát các hạt — chẳng hạn như ion — cực kỳ chính xác (giả sử, sử dụng quang phổ chính xác hoặc để đo tần số của chúng trong đồng hồ nguyên tử), thì bạn phải đưa chúng đến gần hết mức có thể. Nhiệt độ khắc nghiệt nhất cũng giống như nhiệt độ thấp nhất có thể – nghĩa là bạn phải làm mát chúng một cách hiệu quả nhất có thể. Một trong những phương pháp làm mát công nghệ cao được thành lập được gọi là làm mát bằng laser. Phương pháp này thấy các hạt bị làm chậm lại bằng tia laze đã được sắp xếp một cách khéo léo. Tuy nhiên, không phải mọi hạt đều phù hợp với phương pháp này. Đó là lý do tại sao các cặp ion liên kết đã được sử dụng tại Viện QUEST trong một thời gian dài để khắc phục điều này: Một ion (được gọi là “ion làm mát” hoặc “ion logic”) được làm lạnh bằng laser; đồng thời, ion đối tác ghép đôi của nó cũng được làm lạnh và sau đó có thể được khảo sát bằng phương pháp quang phổ (do đó, nó được gọi là “ion quang phổ”). Nhưng phương pháp này trước đây luôn đạt đến giới hạn khi hai ion chênh lệch nhau quá nhiều về tỷ lệ điện tích trên khối lượng của chúng — nghĩa là khi chúng rất khác nhau về khối lượng và rất khác nhau. “Nhưng bây giờ chính những ion này lại đặc biệt thú vị đối với nghiên cứu của chúng tôi, chẳng hạn như
Vì anh ấy và nhóm của anh ấy rất có kinh nghiệm trong việc áp dụng các quy luật của cơ học lượng tử (suy cho cùng thì làm mát đi đôi là dựa trên các định luật lượng tử), họ đã sử dụng bộ công cụ của nhà nghiên cứu máy tính lượng tử. Các thuật toán lượng tử — tức là các hoạt động máy tính dựa trên thao tác với các lượng tử riêng lẻ — không thể chỉ được sử dụng để thực hiện các phép tính nhanh hơn bao giờ hết với một máy tính lượng tử. Chúng cũng có thể giúp tách động năng từ cặp ion không khớp. Trong quá trình được gọi là làm mát theo thuật toán, các phép toán lượng tử được sử dụng để làm điều đó: chuyển năng lượng từ chuyển động gần như không thể làm mát của ion quang phổ thành chuyển động dễ dàng làm mát của ion logic.
Họ đã làm được điều này cực kỳ tốt: “Chúng tôi đã có thể chiết xuất rất nhiều năng lượng từ cặp ion – bao gồm một ion berili tích điện đơn và một ion argon tích điện cao – đến mức nhiệt độ của chúng cuối cùng đã giảm xuống chỉ còn 200 µK”, một của QUEST’s Ph.D. sinh viên Lukas Spieß. Một quần thể như vậy chưa bao giờ gần đến độ không tuyệt đối (như trong: bất động). Ông mở rộng thêm: “Hơn nữa, chúng tôi cũng quan sát thấy mức độ nhiễu điện trường thấp chưa từng có. Tiếng ồn này thường dẫn đến việc các ion bị nóng lên khi quá trình làm mát dừng lại, nhưng điều này hóa ra lại đặc biệt thấp trong thiết bị của chúng. Kết hợp hai điều này có nghĩa là rào cản lớn cuối cùng trên con đường của họ giờ đã được vượt qua, và đồng hồ nguyên tử quang học mà dựa trên các ion tích điện cao có thể được xây dựng. Đồng hồ nguyên tử này có thể đạt độ không đảm bảo đo nhỏ hơn 10 –18 . Hiện chỉ có những đồng hồ nguyên tử quang học tốt nhất trên thế giới mới có thể đạt được loại hiệu suất này. Những phát hiện này cũng có ý nghĩa to lớn đối với sự phát triển của máy tính lượng tử và quang phổ chính xác.”
Theo: Phys.
