Cà phê kem có thể dạy chúng ta về vật lý lượng tử như thế nào?

Nếu thêm một chút kem vào cốc cà phê buổi sáng, bạn sẽ thấy những đám mây chất lỏng màu trắng sẽ xoay quanh cốc. Nhưng một vài giây sau, những vòng xoáy đó sẽ biến mất, để lại một cốc chất lỏng màu nâu thông thường.

Điều tương tự cũng xảy ra trong chip máy tính lượng tử – những thiết bị khai thác các tính chất kỳ lạ của vũ trụ ở quy mô cực nhỏ – nơi thông tin có thể nhanh chóng trở nên lộn xộn, hạn chế khả năng bộ nhớ của các công cụ này.

Nhưng, theo Rahul Nandkishore, phó giáo sư vật lý tại Đại học Colorado Boulder, điều đó có thể khắc phục được.

Trong công trình mới của mình, ông và các đồng nghiệp đã sử dụng toán học để chỉ ra rằng các nhà khoa học có thể tạo ra, về cơ bản, một kịch bản mà sữa và cà phê không bao giờ trộn lẫn – bất kể bạn khuấy chúng mạnh đến đâu.

Phát hiện của nhóm có thể dẫn đến những tiến bộ mới trong chip máy tính lượng tử, có khả năng cung cấp cho các kỹ sư những cách mới để lưu trữ thông tin trong các đối tượng cực kỳ nhỏ.

Nandkishore, tác giả cao cấp của nghiên cứu mới, cho biết: “Hãy nghĩ về các mô hình xoáy ban đầu xuất hiện khi bạn thêm kem vào cà phê buổi sáng. Hãy tưởng tượng nếu những mô hình này vẫn tiếp tục xoáy và nhảy múa bất kể bạn theo dõi chúng trong bao lâu”.

Các nhà nghiên cứu vẫn cần chạy các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để đảm bảo rằng việc tạo ra những vòng xoáy không bao giờ kết thúc này thực sự khả thi. Nhưng kết quả của nhóm là một bước tiến lớn đối với các nhà vật lý đang tìm cách tạo ra các vật liệu duy trì trạng thái mất cân bằng, hoặc cân bằng, trong thời gian dài.

Những phát hiện của nhóm đã được xuất bản trên Physical Review Letters.

Vấn đề của bộ nhớ lượng tử

Nghiên cứu mới xoay quanh một vấn đề phổ biến trong máy tính lượng tử.

Các máy tính bình thường chạy trên “bit”, có dạng số 0 hoặc số 1. Ngược lại, Nandkishore giải thích rằng máy tính lượng tử sử dụng “qubit”, có thể tồn tại dưới dạng 0, 1 hoặc cả hai cùng một lúc. Các kỹ sư đã tạo ra các qubit từ nhiều vật liệu khác nhau, bao gồm các nguyên tử riêng lẻ bị giam giữ bởi laser hoặc siêu dẫn.

Nhưng cũng giống như kem và cà phê, qubit có thể dễ dàng bị trộn lẫn. Ví dụ, nếu bạn lật tất cả các qubit của mình thành giá trị 1, cuối cùng chúng sẽ lật qua lật lại cho đến khi toàn bộ chip trở thành một mớ lộn xộn.

Trong nghiên cứu mới, Nandkishore và các đồng nghiệp của ông đã đề xuất một cách giúp vượt qua xu hướng pha trộn đó. Nhóm nghiên cứu tính toán rằng nếu các nhà khoa học sắp xếp các qubit thành các mẫu cụ thể, các tập hợp này sẽ giữ lại thông tin của chúng – ngay cả khi bạn tác động chúng bằng từ trường hoặc các gì đó tương tự. Điều đó có thể cho phép các kỹ sư chế tạo các thiết bị có chứa một loại bộ nhớ lượng tử.

Nandkishore nói: “Đây có thể là một cách để lưu trữ thông tin. Bạn sẽ ghi thông tin vào các mô hình này, và thông tin sẽ không bị suy giảm”.

Nandkishore và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng các công cụ toán học để hình dung một mô hình bàn cờ của các qubit lý thuyết. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nếu họ sắp xếp các số 0 và số 1 này đúng cách, các chúng có thể di chuyển xung quanh hình bàn cờ, nhưng có thể không bao giờ biến mất hoàn toàn. (Ảnh: Stephen, Hart &; Nandkishore, 2024, Physical Review Letters)

Lời giải từ hình học

Trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các công cụ mô hình toán học để hình dung một mảng từ hàng trăm đến hàng ngàn qubit được sắp xếp theo mô hình giống như bàn cờ.

Họ phát hiện ra bí quyết là nhét các qubit vào một vị trí chật trội. Nadkishore giải thích rằng, nếu đủ gần nhau, chúng có thể ảnh hưởng đến hành vi của hàng xóm, gần giống như một đám đông người cố gắng chen chúc vào bốt điện thoại. Một số người trong số đó có thể đứng thẳng hoặc lộn đầu, nhưng họ không thể lật theo hướng khác mà không đẩy vào người khác.

Các nhà nghiên cứu tính toán rằng nếu họ sắp xếp những mô hình này theo một cách đúng đắn, chũng sẽ không bao giờ hư hỏng – giống như những đám mây kem xoáy mãi mãi trong cốc cà phê.

Nandkishore nói: “Điều tuyệt vời về nghiên cứu này là chúng tôi phát hiện ra rằng chúng tôi có thể hiểu được hiện tượng cơ bản này thông qua những gì gần như là hình học đơn giản.

Phát hiện của nhóm nghiên cứu có thể ảnh hưởng nhiều lĩnh vực khác ngoài máy tính lượng tử.

Nandkishore giải thích rằng hầu hết mọi thứ trong vũ trụ, từ tách cà phê đến đại dương rộng lớn, có xu hướng tiến tới cái mà các nhà khoa học gọi là “cân bằng nhiệt”. Ví dụ, nếu bạn thả một viên đá vào cốc, nhiệt từ cà phê của bạn sẽ làm tan đá, cuối cùng tạo thành một chất lỏng có nhiệt độ đồng đều. Tuy nhiên, những phát hiện mới của ông cho thấy rằng một số tổ chức vật chất nhỏ có thể chống lại trạng thái cân bằng đó. Chúng dường như đã phá vỡ một số định luật bất biến nhất của vũ trụ.

Theo colorado.edu