Thế Việt
Writer
Nghiên cứu đột phá chứng minh trạng thái chồng chất lượng tử có thể tồn tại ổn định ở 1.8 Kelvin, đi ngược lại quan niệm cố hữu và mở đường cho công nghệ lượng tử thực tế hơn.
Những điểm chính
Đi ngược lại một trong những nguyên tắc nền tảng của vật lý lượng tử hiện đại, một nhóm nhà khoa học quốc tế vừa công bố một thành tựu đáng kinh ngạc: họ đã tạo ra và duy trì thành công một trạng thái "mèo lượng tử" ở nhiệt độ cao hơn đáng kể so với mức siêu lạnh gần không độ tuyệt đối (-273,15°C) mà trước đây vẫn được cho là điều kiện bắt buộc. Phát hiện này không chỉ thách thức hiểu biết của chúng ta về sự mong manh của thế giới lượng tử mà còn mở ra những triển vọng mới đầy hứa hẹn cho việc ứng dụng công nghệ lượng tử trong điều kiện thực tế.
"Mèo lượng tử" là một khái niệm nổi tiếng bắt nguồn từ thí nghiệm tưởng tượng của nhà vật lý đoạt giải Nobel Erwin Schrödinger. Ông hình dung một con mèo bị nhốt trong hộp kín cùng cơ chế giải phóng thuốc độc ngẫu nhiên dựa trên sự phân rã của một hạt phóng xạ. Theo nguyên lý cơ học lượng tử, trước khi chiếc hộp được mở ra quan sát, hạt phóng xạ vừa phân rã vừa chưa phân rã, và do đó, con mèo cũng đồng thời ở trạng thái vừa sống lại vừa chết. Đây chính là hiện tượng chồng chất lượng tử (quantum superposition) – khả năng một hệ vật lý tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau cùng một lúc.
Trong các thí nghiệm thực tế, các nhà khoa học không sử dụng mèo thật mà thay vào đó là các hệ lượng tử vi mô như nguyên tử, ion hoặc photon. Tuy nhiên, một điểm chung cố hữu là các trạng thái chồng chất lượng tử cực kỳ nhạy cảm với môi trường bên ngoài, đặc biệt là nhiễu loạn nhiệt. Nhiệt độ càng cao, các hạt dao động càng mạnh, càng dễ phá vỡ sự liên kết mong manh của trạng thái lượng tử. Do đó, hầu hết các thí nghiệm tạo ra và duy trì trạng thái chồng chất lượng tử, đặc biệt là ở quy mô lớn hơn một vài hạt (tương tự "con mèo" vĩ mô), đều đòi hỏi môi trường được làm lạnh đến gần không độ tuyệt đối.
Nghiên cứu mới này đã tạo ra một ngoại lệ đáng chú ý. Các nhà khoa học đã thiết lập một hệ thống gồm một khoang vi sóng (microwave cavity) có nhiệt độ nền được duy trì ở mức siêu lạnh, gần 0 Kelvin. Sau đó, họ đưa một qubit (bit lượng tử - đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử) vào khoang này, nhưng cố tình giữ cho qubit ở trạng thái "ấm" hơn đáng kể: 1.8 Kelvin (tương đương -271,35°C). Mặc dù vẫn là một nhiệt độ cực lạnh theo tiêu chuẩn đời thường, nhưng 1.8 Kelvin cao hơn gấp hàng chục lần (theo bài báo gốc là 60 lần) so với nhiệt độ nền siêu lạnh của hệ thống mà các trạng thái lượng tử tương tự thường yêu cầu để tồn tại.
Điều đáng ngạc nhiên nhất là, bất chấp sự hiện diện của qubit "nóng" này, trạng thái "mèo lượng tử" (liên quan đến các photon vi sóng trong khoang và sự vướng víu của chúng với qubit) vẫn được duy trì một cách ổn định. Càng ấn tượng hơn, các nhà khoa học cho biết quy trình họ sử dụng để tạo ra trạng thái "mèo lượng tử nóng" này hoàn toàn giống hệt với quy trình chuẩn được dùng trong điều kiện siêu lạnh. Điều này cho thấy, ít nhất trong một số cấu hình hệ thống nhất định, trạng thái lượng tử có thể bền bỉ hơn trước nhiễu loạn nhiệt so với những gì người ta vẫn nghĩ.
"Nhiều người nghĩ rằng nhiệt độ luôn là kẻ thù của trạng thái lượng tử, nhưng nghiên cứu này cho thấy điều đó không phải lúc nào cũng đúng," các tác giả nghiên cứu nhận định.
Phát hiện này mang ý nghĩa quan trọng đối với việc phát triển các công nghệ lượng tử trong tương lai. Việc có thể duy trì trạng thái lượng tử ở nhiệt độ cao hơn, dù chỉ là từ mức miliKelvin lên 1.8 Kelvin, cũng có thể giúp giảm đáng kể sự phức tạp và chi phí của các hệ thống làm lạnh siêu hàn cần thiết cho máy tính lượng tử hay các cảm biến lượng tử siêu nhạy. Nó mở ra hy vọng về việc chế tạo các thiết bị lượng tử hoạt động trong môi trường ít khắc nghiệt hơn, đưa công nghệ này từ phòng thí nghiệm đến gần hơn với các ứng dụng thực tế trong y học, vật liệu, mật mã và nhiều lĩnh vực khác. Đây được xem là một bước tiến lớn, dù mới chỉ là khởi đầu, trên con đường hiện thực hóa tiềm năng to lớn của cuộc cách mạng lượng tử.
Những điểm chính
- Một nhóm nhà khoa học quốc tế đã thành công tạo ra trạng thái "mèo lượng tử" (chồng chất lượng tử) ở nhiệt độ 1.8 Kelvin (-271.35°C).
- Mức nhiệt độ này cao hơn đáng kể (hàng chục lần) so với điều kiện gần không độ tuyệt đối thường được cho là cần thiết để duy trì các trạng thái lượng tử vĩ mô tương tự.
- Trạng thái lượng tử vẫn ổn định dù có sự hiện diện của một qubit "nóng" hơn trong hệ thống siêu lạnh.
- Quy trình tạo ra trạng thái "mèo lượng tử nóng" này không khác biệt so với quy trình chuẩn ở nhiệt độ siêu lạnh, cho thấy sự bền bỉ nội tại của trạng thái.
- Phát hiện này thách thức quan niệm về sự nhạy cảm tuyệt đối của trạng thái lượng tử với nhiệt độ và mở ra triển vọng phát triển công nghệ lượng tử (máy tính, cảm biến) hoạt động trong điều kiện ít khắc nghiệt hơn, thực tế hơn.
Đi ngược lại một trong những nguyên tắc nền tảng của vật lý lượng tử hiện đại, một nhóm nhà khoa học quốc tế vừa công bố một thành tựu đáng kinh ngạc: họ đã tạo ra và duy trì thành công một trạng thái "mèo lượng tử" ở nhiệt độ cao hơn đáng kể so với mức siêu lạnh gần không độ tuyệt đối (-273,15°C) mà trước đây vẫn được cho là điều kiện bắt buộc. Phát hiện này không chỉ thách thức hiểu biết của chúng ta về sự mong manh của thế giới lượng tử mà còn mở ra những triển vọng mới đầy hứa hẹn cho việc ứng dụng công nghệ lượng tử trong điều kiện thực tế.
"Mèo lượng tử" là một khái niệm nổi tiếng bắt nguồn từ thí nghiệm tưởng tượng của nhà vật lý đoạt giải Nobel Erwin Schrödinger. Ông hình dung một con mèo bị nhốt trong hộp kín cùng cơ chế giải phóng thuốc độc ngẫu nhiên dựa trên sự phân rã của một hạt phóng xạ. Theo nguyên lý cơ học lượng tử, trước khi chiếc hộp được mở ra quan sát, hạt phóng xạ vừa phân rã vừa chưa phân rã, và do đó, con mèo cũng đồng thời ở trạng thái vừa sống lại vừa chết. Đây chính là hiện tượng chồng chất lượng tử (quantum superposition) – khả năng một hệ vật lý tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau cùng một lúc.
Trong các thí nghiệm thực tế, các nhà khoa học không sử dụng mèo thật mà thay vào đó là các hệ lượng tử vi mô như nguyên tử, ion hoặc photon. Tuy nhiên, một điểm chung cố hữu là các trạng thái chồng chất lượng tử cực kỳ nhạy cảm với môi trường bên ngoài, đặc biệt là nhiễu loạn nhiệt. Nhiệt độ càng cao, các hạt dao động càng mạnh, càng dễ phá vỡ sự liên kết mong manh của trạng thái lượng tử. Do đó, hầu hết các thí nghiệm tạo ra và duy trì trạng thái chồng chất lượng tử, đặc biệt là ở quy mô lớn hơn một vài hạt (tương tự "con mèo" vĩ mô), đều đòi hỏi môi trường được làm lạnh đến gần không độ tuyệt đối.
Nghiên cứu mới này đã tạo ra một ngoại lệ đáng chú ý. Các nhà khoa học đã thiết lập một hệ thống gồm một khoang vi sóng (microwave cavity) có nhiệt độ nền được duy trì ở mức siêu lạnh, gần 0 Kelvin. Sau đó, họ đưa một qubit (bit lượng tử - đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử) vào khoang này, nhưng cố tình giữ cho qubit ở trạng thái "ấm" hơn đáng kể: 1.8 Kelvin (tương đương -271,35°C). Mặc dù vẫn là một nhiệt độ cực lạnh theo tiêu chuẩn đời thường, nhưng 1.8 Kelvin cao hơn gấp hàng chục lần (theo bài báo gốc là 60 lần) so với nhiệt độ nền siêu lạnh của hệ thống mà các trạng thái lượng tử tương tự thường yêu cầu để tồn tại.
Điều đáng ngạc nhiên nhất là, bất chấp sự hiện diện của qubit "nóng" này, trạng thái "mèo lượng tử" (liên quan đến các photon vi sóng trong khoang và sự vướng víu của chúng với qubit) vẫn được duy trì một cách ổn định. Càng ấn tượng hơn, các nhà khoa học cho biết quy trình họ sử dụng để tạo ra trạng thái "mèo lượng tử nóng" này hoàn toàn giống hệt với quy trình chuẩn được dùng trong điều kiện siêu lạnh. Điều này cho thấy, ít nhất trong một số cấu hình hệ thống nhất định, trạng thái lượng tử có thể bền bỉ hơn trước nhiễu loạn nhiệt so với những gì người ta vẫn nghĩ.
"Nhiều người nghĩ rằng nhiệt độ luôn là kẻ thù của trạng thái lượng tử, nhưng nghiên cứu này cho thấy điều đó không phải lúc nào cũng đúng," các tác giả nghiên cứu nhận định.
Phát hiện này mang ý nghĩa quan trọng đối với việc phát triển các công nghệ lượng tử trong tương lai. Việc có thể duy trì trạng thái lượng tử ở nhiệt độ cao hơn, dù chỉ là từ mức miliKelvin lên 1.8 Kelvin, cũng có thể giúp giảm đáng kể sự phức tạp và chi phí của các hệ thống làm lạnh siêu hàn cần thiết cho máy tính lượng tử hay các cảm biến lượng tử siêu nhạy. Nó mở ra hy vọng về việc chế tạo các thiết bị lượng tử hoạt động trong môi trường ít khắc nghiệt hơn, đưa công nghệ này từ phòng thí nghiệm đến gần hơn với các ứng dụng thực tế trong y học, vật liệu, mật mã và nhiều lĩnh vực khác. Đây được xem là một bước tiến lớn, dù mới chỉ là khởi đầu, trên con đường hiện thực hóa tiềm năng to lớn của cuộc cách mạng lượng tử.
