Lần đầu tiên, một nhóm các nhà vật lý Princeton đã có thể liên kết các phân tử riêng lẻ lại với nhau thành các trạng thái “bị vướng víu” về mặt cơ học lượng tử. Thiết lập tia laser để làm mát, kiểm soát và làm vướng víu các phân tử riêng lẻ. (Ảnh: Richard Soden, Khoa Vật lý, Đại học Princeton)
Lần đầu tiên, một nhóm các nhà vật lý Princeton đã có thể liên kết các phân tử riêng lẻ lại với nhau thành các trạng thái “bị vướng víu” về mặt cơ học lượng tử. Ở những trạng thái kỳ lạ này, các phân tử vẫn tương quan với nhau – và có thể tương tác đồng thời – ngay cả khi chúng ở cách xa nhau hàng dặm, hoặc thậm chí là ngay cả khi chúng nằm ở hai đầu của vũ trụ.
Lawrence Cheuk, Phó giáo sư vật lý tại Đại học Princeton và là tác giả chính của bài báo, cho biết: “Đây là một bước đột phá trong việc nghiên cứu thế giới phân tử vì tầm quan trọng cơ bản của sự vướng víu lượng tử. Nhưng nó cũng là một bước đột phá cho các ứng dụng thực tế vì các phân tử vướng víu có thể là nền tảng cho nhiều ứng dụng trong tương lai”.
Các ứng dụng đó có thể là máy tính lượng tử có khả năng giải quyết một số vấn đề nhanh hơn nhiều so với máy tính thông thường, mô phỏng lượng tử giúp mô hình hóa các vật liệu phức tạp và cảm biến lượng tử có thể đo nhanh hơn so với các cảm biến truyền thống.
Connor Holland, một nghiên cứu sinh ngành vật lý và là đồng tác giả của công trình, cho biết: “Một trong những động lực khi nghiên cứu khoa học lượng tử là trong thực tế, nếu bạn khai thác được các định luật của cơ học lượng tử, bạn có thể làm tốt hơn rất nhiều trong nhiều lĩnh vực”.
Khả năng của các thiết bị lượng tử hoạt động tốt hơn các thiết bị cổ điển được gọi là “ưu thế lượng tử”. Và cốt lõi của ưu thế lượng tử là các nguyên tắc chồng chất và vướng víu lượng tử. Trong khi bit máy tính cổ điển có thể nhận giá trị 0 hoặc 1, thì bit lượng tử, được gọi là qubit, có thể đồng thời ở trạng thái chồng chất 0 và 1.
Khái niệm thứ hai, sự vướng víu, là nền tảng chính của cơ học lượng tử và xảy ra khi hai hạt trở nên liên kết chặt chẽ với nhau ngay cả khi một hạt cách hạt kia nhiều năm ánh sáng. Đó là hiện tượng mà Albert Einstein, người lúc đầu đặt câu hỏi về tính xác thực của nó, đã mô tả là “tác dụng ma quái ở khoảng cách xa”.
Kể từ đó, các nhà vật lý đã chứng minh rằng sự vướng víu trên thực tế là một mô tả chính xác về thế giới vật chất và cách thực tại được xây dựng.
Cheuk nói: “Sự vướng víu lượng tử là một khái niệm cơ bản, nhưng nó cũng là thành phần quan trọng mang lại lợi thế lượng tử”.
Nhưng việc xây dựng lợi thế lượng tử và đạt được sự vướng víu lượng tử có kiểm soát vẫn là một thách thức, nhất là khi các kỹ sư và nhà khoa học vẫn chưa rõ nền tảng vật lý nào là tốt nhất để tạo ra qubit.
Trong những thập kỷ qua, nhiều công nghệ khác nhau – chẳng hạn như các bẫy ion, photon và mạch siêu dẫn, chỉ là một số ví dụ – đã được khám phá như những ứng cử viên cho máy tính và thiết bị lượng tử.
Các phân tử từ lâu đã thách thức khả năng vướng víu lượng tử có kiểm soát. Nhưng Cheuk và các đồng nghiệp của ông đã tìm ra cách để kiểm soát từng phân tử riêng lẻ và đưa chúng vào các trạng thái lượng tử lồng vào nhau, thông qua thao tác cẩn thận trong phòng thí nghiệm.
Họ cũng tin rằng các phân tử có những lợi thế nhất định – chẳng hạn như so với các nguyên tử – khiến chúng đặc biệt phù hợp cho một số ứng dụng nhất định trong xử lý thông tin lượng tử và mô phỏng lượng tử của các vật liệu phức tạp. Ví dụ, so với các nguyên tử, các phân tử có nhiều bậc tự do lượng tử hơn và có thể tương tác theo những cách mới. Chính điều này khiến chúng trở nên hấp dẫn cũng như khó kiểm soát hay bị giam giữ trong môi trường phòng thí nghiệm.
Cheuk và nhóm của ông đã giải quyết nhiều thách thức này thông qua một thí nghiệm được lên kế hoạch cẩn thận. Đầu tiên, họ chọn một loại phân tử vừa có cực vừa có thể được làm lạnh bằng tia laser. Sau đó, họ làm lạnh các phân tử bằng laser đến nhiệt độ cực lạnh, nơi cơ học lượng tử giữ vai trò chủ đạo.
Sau đó, các phân tử riêng lẻ được gắp lên bởi một hệ thống phức tạp gồm các chùm tia laser hẹp, được gọi là “nhíp quang học”. Bằng cách thiết kế các vị trí của nhíp, họ có thể tạo ra các mảng lớn gồm các phân tử đơn lẻ và đặt chúng vào bất kỳ cấu hình một chiều nào mong muốn.
Tiềm năng của nghiên cứu này trong việc nghiên cứu các lĩnh vực khác nhau của khoa học lượng tử là rất lớn, nhờ các tính năng cải tiến được cung cấp bởi nền tảng mới của mảng nhíp phân tử. Đặc biệt, nhóm Princeton quan tâm đến việc khám phá cơ sở vật lý của nhiều phân tử tương tác, có thể dùng để mô phỏng các hệ lượng tử nhiều vật thể, nơi có thể xuất hiện các hành vi mới nổi bật, chẳng hạn như các dạng từ tính kỳ lạ.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science.
Theo charmingscience
NTD Việt Nam