Máy tính lượng tử, những người đam mê dự báo, một ngày nào đó sẽ hoạt động không có hồi kết – từ việc phá vỡ mã hóa kỹ thuật số đến thiết kế các loại thuốc kỳ diệu. Tuy nhiên, ở giai đoạn đầu này, lợi thế của nhiều thuật toán lượng tử vẫn còn mang tính suy đoán. Và một số nhà nghiên cứu tự hỏi liệu có thể sử dụng sự kiểm soát cần thiết ở cấp độ hạ nguyên tử hay không. Markus Greiner , một nhà vật lý tại Đại học Harvard , cho biết: “Đó là một mục tiêu rất khó khăn.”
Tuy nhiên, ngay cả khi không có máy tính lượng tử hoàn chỉnh, các nhà vật lý vẫn đang sử dụng các loại máy liên quan, chuyên biệt hơn – máy mô phỏng lượng tử – để thực hiện một trong những mục tiêu ban đầu của lĩnh vực này: mô phỏng hành vi byzantine của các hệ lượng tử.
Như Richard Feynman đã nói trong một bài giảng năm 1981, “Tự nhiên không phải là cổ điển, chết tiệt, và nếu bạn muốn tạo ra một mô phỏng tự nhiên, tốt hơn bạn nên biến nó thành cơ học lượng tử. ”
Trong vài năm qua, các nhóm ở Paris và Cambridge, Massachusetts, đã đạt được nhiều tiến bộ cho mục đích này bằng cách sử dụng một loại mô phỏng lượng tử mã đen. Họ đã thực hiện một loạt các mô phỏng có thể mất vài tháng hoặc hơn để tái tạo trên một máy tính cổ điển.
Ivan Deutsch , một nhà tiên phong của công nghệ , hiện đang làm việc tại Đại học New Mexico , cho biết: “Họ đang khám phá một số biên giới của vật lý .
Hôm nay nhóm Cambridge đã công bố khám phá quan trọng nhất của họ: Phát hiện ra một trạng thái khó nắm bắt của vật chất được gọi là chất lỏng spin lượng tử, tồn tại bên ngoài mô hình hàng thế kỷ vạch ra các cách thức mà vật chất có thể tổ chức. Nó xác nhận một lý thuyết gần 50 năm tuổi dự đoán trạng thái kỳ lạ. Nó cũng đánh dấu một bước tiến tới ước mơ xây dựng một máy tính lượng tử vạn năng thực sự hữu ích.
Ehud Altman , một nhà lý thuyết vật chất cô đặc tại Đại học California, Berkeley , cho biết: “Nếu tôi xem xét toàn bộ lịch sử của các thí nghiệm nguyên tử siêu lạnh, thì đó có lẽ là một trong những thí nghiệm ấn tượng và đột phá nhất trong lĩnh vực này .”
Trung lập
Công trình mới sử dụng một cách tiếp cận mới để tính toán lượng tử dựa trên các nguyên tử trung tính. Mặc dù phương pháp này đã tụt hậu so với các công nghệ tính toán lượng tử phổ biến hơn như các mạch siêu dẫn hoặc các ion bị mắc kẹt, các nguyên tử trung tính có những tính chất đặc biệt mà từ lâu đã chiếm được trí tưởng tượng của các kỹ sư lượng tử.
Chìa khóa để xây dựng một máy tính lượng tử là tập hợp một tập hợp các qubit – các đối tượng lượng tử tương tự như các bit cổ điển – thỏa mãn hai yêu cầu trái ngược nhau. Các qubit trước tiên phải được tường lửa từ thế giới bên ngoài, nếu không các rung động và nhiệt sẽ phá hủy mojo lượng tử của chúng. Tuy nhiên, chúng phải đồng thời có thể truy cập và thao tác được.
Những người ủng hộ nói rằng các nguyên tử trung tính cân bằng những nhu cầu này một cách đặc biệt tốt. Chùm tia laze có thể chụp và di chuyển các nguyên tử giống như một chùm tia máy kéo, bảo vệ chúng khỏi sự can thiệp từ bên ngoài. Một xung laser bổ sung có thể làm phồng các nguyên tử thành trạng thái “Rydberg” siêu lớn, giống như chuyển động trên một chút cổ điển. Về mặt quan trọng, các qubit nguyên tử trung hòa này có thể giả định “ chồng chất ” lớn và nhỏ cùng một lúc và cũng có thể kết nối với nhau từ xa thông qua “ vướng víu ” – hai thành phần thiết yếu cho tính toán lượng tử.
Các nhà nghiên cứu đã mở rộng quyền kiểm soát của họ đối với các nguyên tử trung tính trong hai thập kỷ. Các nhóm tiên phong nắm lấy các nguyên tử đơn lẻ bằng “nhíp” laze vào năm 2001 , sau đó vướng các cặp nguyên tử vào năm 2010 . Một bước đột phá đã xảy ra vào năm 2016, khi các nhóm ở Cambridge và Paris tìm ra cách quấn các đám đông của hàng chục nguyên tử. Những cỗ máy thế hệ tiếp theo đã đạt tới ba chữ số, khiến những chiếc máy tính này sẽ trở thành những bộ mô phỏng mạnh mẽ các hiện tượng lượng tử.
Năm 2018, nhóm Paris đã điều khiển các nguyên tử trung tính thành mô hình 3D của tháp Eiffel.
“Chúng ta đang nói về 256 qubit so với 100 hoặc 50 qubit,” Deutsch nói. “Điều đó thực sự quan trọng.”
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng những lưới nguyên tử trung hòa này để thăm dò các pha của vật chất lượng tử. Chúng giống như các pha quen thuộc của chất lỏng và chất rắn nhưng có cấu hình phức tạp và kỳ lạ hơn được kích hoạt bằng cách ném chồng chất và vướng vào hỗn hợp. Việc khám phá các pha lượng tử là một mục tiêu cơ bản, nhưng nó cũng có thể có các ứng dụng thực tế, chẳng hạn như tìm hiểu nguyên nhân gây ra hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao.
Các nhà vật lý vật chất đặc nghiên cứu các pha như vậy bằng cách sử dụng các tinh thể có trong tự nhiên và những gì chúng có thể phát triển trong phòng thí nghiệm của họ. Nhưng các nhà nghiên cứu nguyên tử trung tính có thể linh hoạt “lập trình” vật chất của họ, định vị chính xác các nguyên tử thành các mạng có hình dạng bất kỳ và kỹ thuật tương tác nguyên tử riêng biệt thông qua thao tác của các trạng thái Rydberg.
“Về cơ bản,” Mikhail Lukin , một nhà lãnh đạo của nhóm Cambridge cho biết, “chúng tôi lắp ráp một tinh thể nhân tạo.”
Mùa hè này, cả nhóm Cambridge và Paris đã mô phỏng một lý thuyết trong sách giáo khoa về từ tính – mô hình Ising lượng tử – cho các dãy 256 và 196 nguyên tử, và lần đầu tiên đo lường chính xác cách các túi từ tính phát triển và co lại khi nhiệt độ thay đổi. Các mô phỏng sẽ mất hàng tháng trời để thực hiện trên một máy tính cổ điển. Thierry Lahaye , một nhà vật lý làm việc với nhóm Paris cho biết: “Thiết bị thí nghiệm đang ở giai đoạn mà việc cố gắng mô phỏng sự vật trở nên không thực tế . Cả hai nhóm đã mô tả các mô phỏng Ising lượng tử của họ trên tạp chí Nature vào tháng Bảy.
Giờ đây, sự hợp tác của Cambridge, bao gồm nhóm của Lukin tại Harvard, phòng thí nghiệm của Greiner tại Harvard và nhóm của Vladan Vuletić tại Viện Công nghệ Massachusetts, đã sử dụng trình mô phỏng lượng tử của họ để thăm dò giai đoạn vật chất được mong đợi từ lâu.
Năm 1973, Philip Anderson, một nhà tiên phong về vật chất cô đặc và cuối cùng là người đoạt giải Nobel, đã dự đoán rằng vật chất có thể đi vào một trạng thái kỳ lạ gọi là chất lỏng spin lượng tử. Nhiều nguyên tử có một thuộc tính lượng tử được gọi là “spin”, xác định một hướng. Các spin tương tác từ tính, có thể làm cho chúng có xu hướng quay ngược chiều nhau, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. Nhưng nếu ba nguyên tử được sắp xếp trong một tam giác, chỉ hai trong ba nguyên tử có thể hướng ngược chiều nhau. Do đó, một mạng tinh thể tam giác giống nhau của các nguyên tử không thể “đông cứng” thành một mô hình quay gọn gàng. Ngay cả ở độ không tuyệt đối, spin vẫn tiếp tục dao động, tương tự như cách các nguyên tử chìm trong chất lỏng.
Chất lỏng spin lượng tử gặp rất nhiều vướng víu. Đặc điểm đó dẫn đến trật tự “tôpô”, bởi vì các hạt riêng lẻ có thể cảm nhận được tôpô tổng thể của hệ thống – hoặc hình học. Đục một lỗ trên một khối nước đá và nó vẫn đóng băng, nhưng loại bỏ các nguyên tử ở trung tâm của chất lỏng spin lượng tử và các đặc tính của hệ thống có thể thay đổi. Điều đó đặt chất lỏng spin lượng tử vào một loại vật chất mới.
Nhiều nhóm khác nhau đã nhìn thấy những gợi ý gián tiếp về chất lỏng spin lượng tử , chẳng hạn như trong khoáng chất Herbertsmithite , w hich có cấu trúc tinh thể đặc biệt gây khó chịu cho các nguyên tử. Nhưng gần như không thể xác nhận trực tiếp trạng thái của một vật liệu là chất lỏng spin lượng tử, bởi vì không thể đo lường được sự vướng víu xác định của nó và trật tự tô pô liên quan tại một điểm.
Nhóm Cambridge đã sử dụng trình mô phỏng lượng tử để có được cái nhìn bằng mắt thường. Đầu tiên, họ lập trình các nguyên tử trung hòa của mình để hoạt động giống như các nguyên tử trong Herbertsmithite , với trạng thái Rydberg bật-tắt đứng ở trạng thái quay. Sau đó, họ đo trạng thái Rydberg trong suốt các vòng lặp và chuỗi nguyên tử để có được các quan sát phi địa phương liên quan đến sự vướng víu. Kết quả là phép đo trực tiếp đầu tiên về trật tự tôpô của chất lỏng spin lượng tử.
“Điều đáng kinh ngạc là nó trông rất thuyết phục,” Altman, người không tham gia cho biết.
Khám phá rõ ràng đầu tiên về một giai đoạn có trật tự cấu trúc liên kết của vật chất – hiệu ứng hội trường lượng tử phân đoạn – đã giành được giải Nobel vào năm 1998. Giờ đây, các nhà mô phỏng lượng tử đang cung cấp cho các nhà nghiên cứu sự kiểm soát cần thiết để phân tích kỹ lưỡng ví dụ thứ hai.
“Việc thăm dò chất lỏng spin lượng tử này – theo quan điểm của tôi, đó là một khoảnh khắc rất đặc biệt,” Lukin nói.
Mở rộng quy mô
Các trình mô phỏng lượng tử có thể tỏ ra hữu ích cho một số vấn đề thực tế và cả hai nhóm nguyên tử trung lập đều đã khởi động các hoạt động kinh doanh spinoff: Pasqal cho nhóm Paris và QuEra Computing ở Cambridge, đầu tháng này đã thông báo rằng họ đã huy động được 17 triệu đô la từ các nhà đầu tư, bao gồm cả người Nhật. truyền thông và thương mại điện tử khổng lồ Rakuten.
Về lâu dài, các công ty hy vọng sẽ biến các thiết bị mô phỏng của họ thành các máy tính lượng tử phổ quát có khả năng xử lý bất kỳ phép tính lượng tử nào. Điều đó sẽ đòi hỏi sự kiểm soát hoàn toàn đối với các nguyên tử riêng lẻ để sử dụng chúng như những qubit toàn diện. Mặc dù chưa hoàn thiện về mặt này như các máy tính lượng tử siêu dẫn của Google và IBM – những công ty gần đây đã công bố bộ xử lý lượng tử phổ quát 127 qubit – các nguyên tử trung tính có thể vẫn chưa bắt kịp. “ Đôi khi tôi bắt đầu hoài nghi,” Greiner nói. “Sau đó, cùng lúc tôi nhìn vào phòng thí nghiệm của chúng tôi, và tôi thấy rằng ngay cả với một số ít nguyên tử, chúng ta có thể làm những điều mà không siêu máy tính nào có thể tính toán được.”
Theo Quantamagazine.
