thuha19051234
Pearl
Lĩnh vực máy tính lượng tử đã ghi nhận nhiều bước phát triển đột phá trong những năm qua, tại các công ty lớn như IBM và Google. Song, những tính toán lượng tử lại chỉ đóng khung cho các tổ chức giàu có, nguyên nhân do khan hiếm ứng cử viên vật liệu sử dụng để điều khiển máy tính lượng tử.
Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Pennsylvania và Viện Nghiên cứu và Giáo dục Khoa học Ấn Độ, đã phát hiện và xác nhận một loại vật liệu có thể thành ứng cử viên sáng giá để sử dụng cho máy tính lượng tử. Đó là vật liệu bán kim loại Ta2NiSe5 (còn gọi là TNSe).
Xét trên tính lý tưởng, một vật liệu lượng tử cần phải thể hiện được 2 đặc tính cơ bản: rối lượng tử - một trạng thái lượng tử khi một loại hạt lượng tử không thể phân biệt được với hạn khác; tiếp là tính liên kết - thuộc tính của một vật liệu cho phép nó duy trì tính rối đó.
Sự nhất quán trong máy tính lượng tử vẫn rất khó duy trì, nên máy tính lượng tử vẫn khó nắm bắt so với các xu hướng tiêu chuẩn, mặc dù các chuyên gia cũng đã dày công nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua. Trong số nhiều vật liệu phức tạp đang được khám phá, TNSe là một trong những vật liệu sở hữu những đặc tính đáng mơ ước.
TNSe trông như thế nào ở dạng macro
Nghiên cứu này được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Eugene Mele, Giáo sư tại Đại học Pennsylvania phối hợp với Luminita Harnagea, nhà khoa học nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu và Giáo dục Khoa học Ấn Độ (Pune). Harnagea đã cung cấp Ta2NiSe5 chất lượng cao cho thí nghiệm, đồng thời cũng có những đóng góp nhất định trong nghiên cứu lý thuyết.
Tuy nhiên, ngược lại, nó lại dẫn đến đặc tính cách điện thay vì dẫn điện. Sự ngưng tự này của vật liệu cũng hạn chế đến sự chuyển động của exciton (sự kết hợp của một electron tự do và một lỗ trống electron trong chất bán dẫn hoặc bán kim loại), dẫn đến sự liên kết chặt chẽ giữa các hạt lượng tử. Video sau đây sẽ giải thích rõ hơn điều này.
Sự kết hợp của electron dựa trên một nguyên tắc rằng: mọi hạt đều có sự di chuyển giống như chuyển động dạng sóng và nếu sóng bị tách thành 2, chúng cũng có thể giao thoa với nhau nhất quán theo cách mà chúng xếp chồng lên nhau, hòng tạo thành một trạng thái duy nhất.
Mối quan hệ đồng tồn tại này chính là cơ sở của các tính toán lượng tử. Tính nhất quán được nhấn mạnh là rất quan trọng trong tính toán lượng tử vì không giống như bit máy tính cổ điển, thường chỉ là trạng thái bật hoặc tắt, một Qubit hoặc bit lượng tử có thể cùng tồn tại ở nhiều trạng thái đồng thời, điều này cho phép một máy tính lượng tử có khả năng xử lý một khối lượng lớn các dữ liệu với tốc độ nhanh chóng.
Các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật thăm dò được gọi là hiệu ứng quang điện tròn, trong đó một tín hiệu ánh sáng được sử dụng để mang điện trường. Ta2NiSe5 không phản ứng với hiệu ứng quang điện tròn và các nhà nghiên cứu đã rất ngạc nhiên khi vật liệu này đã tạo ra một tín hiệu khác biệt. Khi các vật liệu đều thể hiện tính đối xứng nghịch đảo - thuộc tính của vật liệu tinh thể đối xứng dọc theo một điểm (bạn có thể hình dung điều này như khi đặt một chiếc gương nhỏ vô cùng tại điểm gốc trong một biểu đồ 3D, và sự phản chiếu của một điểm sẽ được nhìn thấy trong trục đối diện theo đường chéo).
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã kết luận rằng Ta2NiSe5 phá vỡ quy luật đối xứng này dưới nhiệt độ thấp. Những nghiên cứu trước đây đã được công bố cũng khẳng định rằng Ta2NiSe5 đã trải qua "sự biến dạng mạng từ hệ tinh thể trực thoi sang hệ đơn tà" - tức là các chuẩn độ mạng tinh thể nghiêng sang một bên tạo ra một mạng lưới các nguyên tử xiên.
Nghiên cứu này đã cung cấp một công cụ mới, mở đường cho việc nghiên cứu nhiều vật liệu tinh thể phức tạp tương tự, chứa những đặc tính của tính rối lượng tử và tính liên kết vĩ mô, cả hai đều rất cần thiết cho các tính toán lượng tử. Với sự hiểu biết về các trạng thái cô đọng phức tạp này và "trạng thái vướng víu của vật chất", những vật liệu như Ta2NiSe5 "có thể trở thành nền tảng tự nhiên để thực hiện mô phỏng lượng tử quy mô lớn."
Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Pennsylvania và Viện Nghiên cứu và Giáo dục Khoa học Ấn Độ, đã phát hiện và xác nhận một loại vật liệu có thể thành ứng cử viên sáng giá để sử dụng cho máy tính lượng tử. Đó là vật liệu bán kim loại Ta2NiSe5 (còn gọi là TNSe).
Xét trên tính lý tưởng, một vật liệu lượng tử cần phải thể hiện được 2 đặc tính cơ bản: rối lượng tử - một trạng thái lượng tử khi một loại hạt lượng tử không thể phân biệt được với hạn khác; tiếp là tính liên kết - thuộc tính của một vật liệu cho phép nó duy trì tính rối đó.
Sự nhất quán trong máy tính lượng tử vẫn rất khó duy trì, nên máy tính lượng tử vẫn khó nắm bắt so với các xu hướng tiêu chuẩn, mặc dù các chuyên gia cũng đã dày công nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua. Trong số nhiều vật liệu phức tạp đang được khám phá, TNSe là một trong những vật liệu sở hữu những đặc tính đáng mơ ước.
Nghiên cứu này được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Eugene Mele, Giáo sư tại Đại học Pennsylvania phối hợp với Luminita Harnagea, nhà khoa học nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu và Giáo dục Khoa học Ấn Độ (Pune). Harnagea đã cung cấp Ta2NiSe5 chất lượng cao cho thí nghiệm, đồng thời cũng có những đóng góp nhất định trong nghiên cứu lý thuyết.
Tại sao tính liên kết lượng tử lại quan trọng?
Ta2NiSe5 là một bán kim loại trải qua quá trình chuyển đổi cách điện phân cắt ở 330 độ K (thang nhiệt độ Kelvin) (57°C hoặc 134°F). Ở trạng thái cách điện phân ly, vật liệu lượng tử sẽ trải qua quá trình ngưng tụ nhanh chóng theo cơ chế tương tự như cơ chế Bardeen – Cooper – Schrieffer áp dụng cho chất siêu dẫn.Tuy nhiên, ngược lại, nó lại dẫn đến đặc tính cách điện thay vì dẫn điện. Sự ngưng tự này của vật liệu cũng hạn chế đến sự chuyển động của exciton (sự kết hợp của một electron tự do và một lỗ trống electron trong chất bán dẫn hoặc bán kim loại), dẫn đến sự liên kết chặt chẽ giữa các hạt lượng tử. Video sau đây sẽ giải thích rõ hơn điều này.
Sự kết hợp của electron dựa trên một nguyên tắc rằng: mọi hạt đều có sự di chuyển giống như chuyển động dạng sóng và nếu sóng bị tách thành 2, chúng cũng có thể giao thoa với nhau nhất quán theo cách mà chúng xếp chồng lên nhau, hòng tạo thành một trạng thái duy nhất.
Mối quan hệ đồng tồn tại này chính là cơ sở của các tính toán lượng tử. Tính nhất quán được nhấn mạnh là rất quan trọng trong tính toán lượng tử vì không giống như bit máy tính cổ điển, thường chỉ là trạng thái bật hoặc tắt, một Qubit hoặc bit lượng tử có thể cùng tồn tại ở nhiều trạng thái đồng thời, điều này cho phép một máy tính lượng tử có khả năng xử lý một khối lượng lớn các dữ liệu với tốc độ nhanh chóng.
Cơ hội mới cho nghiên cứu máy tính lượng tử
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã kết luận rằng Ta2NiSe5 phá vỡ quy luật đối xứng này dưới nhiệt độ thấp. Những nghiên cứu trước đây đã được công bố cũng khẳng định rằng Ta2NiSe5 đã trải qua "sự biến dạng mạng từ hệ tinh thể trực thoi sang hệ đơn tà" - tức là các chuẩn độ mạng tinh thể nghiêng sang một bên tạo ra một mạng lưới các nguyên tử xiên.
Nghiên cứu này đã cung cấp một công cụ mới, mở đường cho việc nghiên cứu nhiều vật liệu tinh thể phức tạp tương tự, chứa những đặc tính của tính rối lượng tử và tính liên kết vĩ mô, cả hai đều rất cần thiết cho các tính toán lượng tử. Với sự hiểu biết về các trạng thái cô đọng phức tạp này và "trạng thái vướng víu của vật chất", những vật liệu như Ta2NiSe5 "có thể trở thành nền tảng tự nhiên để thực hiện mô phỏng lượng tử quy mô lớn."
