Sử dụng sức mạnh đối xứng cho các công nghệ lượng tử mới
Nguồn: Pixabay / Unsplash
Bằng cách tận dụng tính đối xứng vốn có của tự nhiên, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers ở Thụy Điển đã tìm ra cách kiểm soát và giao tiếp với trạng thái tối của các nguyên tử. Phát hiện này mở ra một cánh cửa khác hướng tới việc xây dựng mạng máy tính lượng tử và cảm biến lượng tử để phát hiện vật chất tối khó nắm bắt trong vũ trụ.
Tiến sĩ Aamir Ali, nhà nghiên cứu về lượng tử cho biết: "Tự nhiên thích sự đối xứng và chúng ta cũng vậy. Nền tảng của các thí nghiệm của chúng tôi là một thủ thuật kỹ thuật sáng tạo trong đó chúng tôi kiểm soát và tận dụng các đối xứng có sẵn trong một hệ thống mà nếu không thì rất khó chế ngự". công nghệ và tác giả chính của nghiên cứu.
Máy tính lượng tử có tiềm năng vượt xa các máy tính tiên tiến nhất hiện nay. Máy tính lượng tử dựa trên cái gọi là bit lượng tử, hay qubit, có khả năng chồng chất các trạng thái có thể có của nó, 0 và 1, cùng một lúc. Hiện tượng này cho phép máy tính lượng tử xử lý lượng dữ liệu khổng lồ. Tuy nhiên, các chồng chất cực kỳ mong manh, điều đó có nghĩa là chúng cần được bảo vệ khỏi sự gián đoạn bên ngoài để ngăn chúng sụp đổ.
Do đó, việc xây dựng một máy tính lượng tử quy mô lớn là một thách thức lớn, bởi vì với số lượng qubit ngày càng tăng, hệ thống tập thể ngày càng trở nên mong manh hơn. Vì lý do này, một lĩnh vực nghiên cứu chính là phát triển các mạng lượng tử lớn, nơi các tác vụ điện toán được xử lý và phân phối trên các nút khác nhau của mạng.
Một cách hấp dẫn để hiện thực hóa các mạng như vậy là sử dụng các nguyên tử nhân tạo làm qubit. Các nguyên tử tương tác tự nhiên với ánh sáng, bằng cách hấp thụ hoặc phát ra các photon. Tuy nhiên, các tập hợp gồm hai hoặc nhiều nguyên tử có thể tồn tại ở các trạng thái chồng chất cụ thể, gọi là trạng thái tối, trong đó chúng hoàn toàn trong suốt với ánh sáng, nghĩa là chúng không phát ra cũng như không hấp thụ ánh sáng. Những trạng thái tối này có tiềm năng to lớn trong công nghệ lượng tử vì chúng không bị ảnh hưởng và gián đoạn từ bên ngoài. Vì lý do tương tự, việc kiểm soát các trạng thái tối và sử dụng chúng để trao đổi thông tin là một nhiệm vụ khó khăn.
Điều chỉnh các đối xứng nhỏ của nguyên tử
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers đã phát triển một phương pháp đơn giản, có độ chính xác cao để kiểm soát trạng thái tối của một phân tử bao gồm hai nguyên tử nhân tạo liên kết với nhau. Nghiên cứu đã được xuất bản trong Physical Review Letters.
Từ cánh bướm và bông tuyết cho đến những thành phần nhỏ nhất trong thế giới vật chất của chúng ta, thiên nhiên luôn cố gắng đạt được sự đối xứng để tạo ra sự cân bằng và hài hòa. Điều này cũng đúng với mức năng lượng trong nguyên tử. Các qubit mà Aamir Ali và các đồng nghiệp của ông sử dụng bao gồm hai nguyên tử nhân tạo ghép nối được tạo thành từ các mạch siêu dẫn. Khi các hạt ánh sáng—các photon—được gửi vào các nguyên tử thông qua một ống dẫn sóng, chúng có thể tương tác với các mức năng lượng của hai đối xứng sẵn có khác nhau.
Trong nghiên cứu trước đây, chỉ có một ống dẫn sóng được ghép nối với qubit với quyền truy cập hạn chế vào các đối xứng của nó, nhưng thay vào đó, các nhà nghiên cứu của Chalmers đã sử dụng hai ống dẫn sóng, mỗi ống dẫn sóng được ghép nối riêng với một trong các trạng thái đối xứng. Do sự phân bố năng lượng đối xứng trong các nguyên tử nhân tạo, một trong các ống dẫn sóng sẽ được ghép nối với trạng thái tối và ống kia ở trạng thái sáng bổ sung của nó. Điều này khiến họ dễ bị thao túng và kiểm soát một cách độc lập với nhau.
Ứng dụng mới trong công nghệ lượng tử
Khả năng kiểm soát các trạng thái tối này đưa ra một cách tiếp cận mới cho các ứng dụng trong công nghệ lượng tử. Bằng cách sử dụng kỹ thuật của các nhà nghiên cứu của Chalmers, có thể tạo ra một rối lượng tử giữa trạng thái tối và trạng thái sáng, mở ra những cách mới để xử lý thông tin lượng tử và truyền nó trong mạng lượng tử. Hơn nữa, nó cũng cho phép phát triển các cảm biến có thể hấp thụ các photon vi sóng năng lượng thấp.
Một máy dò photon trong miền này có thể góp phần phát hiện vật chất tối trong vũ trụ. Các nhà nghiên cứu cũng sẽ sử dụng những kết quả mới này trong nhiệt động lực học để xem liệu các định luật cơ học lượng tử có thể được sử dụng để đạt được những lợi thế trong động cơ hoặc pin hay không.
"Chúng tôi có thể thiết kế các phân tử tổng hợp với các đối xứng độc đáo, dẫn đến những cách thức mới để các phân tử này tương tác với ánh sáng vi sóng. Khái niệm mà chúng tôi đã trình diễn đồng thời rất tinh tế và mạnh mẽ, với các ứng dụng từ điện toán lượng tử phân tán đến tách sóng quang vi sóng," cho biết Simone Gasparinetti, người đứng đầu nghiên cứu về vật lý lượng tử thực nghiệm và là một trong những tác giả chính của nghiên cứu cho biết.
Nghiên cứu được thực hiện tại Chalmers trong khuôn khổ của Trung tâm Công nghệ Lượng tử Wallenberg (WACQT), một chương trình nghiên cứu toàn diện, với mục đích đưa ngành nghiên cứu và công nghiệp hàng đầu của Thụy Điển về công nghệ lượng tử.
"Một trong những mục tiêu chính của WACQT là xây dựng một máy tính lượng tử. Nhưng còn nhiều điều hơn thế nữa. Chúng tôi đã tạo ra một môi trường khuyến khích các nhà nghiên cứu khám phá những con đường ít được thực hiện hơn trong khi vẫn hưởng lợi từ cơ sở hạ tầng và kiến thức chuyên môn về công nghệ lượng tử, và công trình này là một ví dụ như vậy," Simone Gasparinetti nói.
Làm thế nào nó hoạt động
Các nguyên tử nhân tạo bao gồm các mạch điện tử, giống như các nguyên tử thực, chỉ có thể chiếm một tập hợp các mức năng lượng—rời rạc—nhất định. Khi chúng được ghép nối với hai ống dẫn sóng, chúng tạo ra một cấu trúc dùng chung sử dụng giao thoa lượng tử để kết nối các ống dẫn sóng với hai đối xứng khác nhau mà các mức năng lượng của nguyên tử có thể đảm nhận.
Nhờ sự kết hợp này với các đối xứng, thật dễ dàng để chọn và thiết kế các chuyển đổi năng lượng. Điều này có thể được thực hiện dễ dàng và hiệu quả hơn nhiều so với những gì đã được chứng minh trước đây mà không cần sử dụng điều khiển xung và pha phức tạp, vốn là điển hình trong kiến trúc tiêu chuẩn.
