Ion bị bẫy thực hiện ‘cuốc bộ lượng tử’

Lần đầu tiên, các nhà vật lí ở Áo đã chứng minh được một sự “thả bộ lượng tử” một cách chi tiết, sử dụng các ion bị bẫy. Những thí nghiệm như vậy có thể cho phép chúng ta hiểu rõ hơn sự chuyển tiếp giữa thế giới lượng tử và thế giới cổ điển, và có thể áp dụng cho nhiều nghiên cứu đa dạng, kể cả điện toán lượng tử những nghiên cứu các hiệu ứng lượng tử trong tự nhiên.

Một phần của cơ cấu thí nghiệm: một cái bẫy ion thẳng chứa trong một hệ chân không cực cao. (Ảnh: Christian Roos)

Sự thả bộ lượng tử có thể dùng để mô tả nhiều hệ từ các thăng giáng trên thị trường cung cầu cho đến chuyển động Brown của các hạt huyền phù trên bề mặt một chất lỏng. Nó thường được mô tả bởi một người đi lạc chọn lấy hành trình đi theo trò chơi sấp ngửa của đồng xu: nếu là mặt ngửa thì anh ta bước sang phải một bước, và nếu là mặt sấp thì anh ta bước sang trái một bước. Sau nhiều lần gieo đồng xu, vị trí của người đi lạc là ngẫu nhiên, nhưng có khả năng ở gần điểm xuất phát.

Tuy nhiên, sự thả bộ lượng tử ngẫu nhiên, đề xuất lần đầu tiên bởi nhà vật lí đạt giải Nobel Richard Feynman, thì rất khác. Sau mỗi lần gieo đồng xu, một hạt lượng tử chuyển động theo cả hai hướng đồng thời và ở vào “sự chồng chất kết hợp” của trái và phải. Điều này có nghĩa là luôn luôn có một vài đường đi khả dĩ mà hạt thả bộ lượng tử có thể chọn để đi đến vị trí cuối cùng của nó.

Các đường đi giao thoa

Theo các quy tắc của cơ học lượng tử, những đường đi khả dĩ này giao thoa với nhau. Nhờ sự giao thoa này, phân bố xác suất cuối cùng mô tả khả năng tìm ra một hạt tại một vị trí cho trước là rất khác với phân bố xác suất của đối tác cổ điển của nó – hạt lượng tử có xu hướng chuyển động ra khỏi vị trí ban đầu của nó nhanh hơn nhiều so với một hạt cổ điển.

Các nhà nghiên cứu, trong đó có Christian Roos ở Viện Quang học Lượng tử và Thông tin Lượng tử tại Viện Hàn lâm Khoa học Áo, đã thành công trong việc đo phân bố xác suất này và chứng tỏ được rằng nó thật sự tuân theo hành trạng lượng tử như trông đợi. Họ chứng minh một sự thả bộ lượng tử 23 bước – dài nhất tính cho đến nay – lần đầu tiên liên quan đến hai hạt. Kết quả đó xây dựng trên nghiên cứu gần đây, bao gồm cả công trình công bố hồi tháng 7 trước liên quan đến một sự thả bộ lượng tử 10 bước, sử dụng một nguyên tử độc thân cực lạnh.

Trong các thí nghiệm của họ, Roos và đội của ông bắt đầu với ion calcium độc thân trong một bẫy ion và làm lạnh nó sao cho nó ở trong trạng thái năng lượng thấp nhất của nó – trạng thái cơ bản. Các nhà nghiên cứu kích hoạt chuyển động bằng cách chiếu những xung laser truyền xung lượng cho ion và, tùy thuộc vào trạng thái nội của ion, nó bị đẩy sang trái hoặc sang phải.

Tuy nhiên, trước mỗi bước, các nhà nghiên cứu làm cho ion ở trong một sự chồng chất cơ lượng tử của hai trạng thái nội, bằng cách chiếu một xung laser khác lên nó. Theo cách này, mỗi lần ion bị đẩy ra, mỗi phần thuộc hàm sóng của nó có cơ hội như nhau để chuyển động theo mỗi hướng. “Hai bước này – xung đẩy và xung trộn – cấu thành nên một bước cơ sở của sự thả bộ lượng tử”, Roos giải thích.

Lập bản đồ vị trí của ion

Các nhà nghiên cứu đã lặp lại quá trình này 23 lần và thu thập dữ liệu về chuyển động bằng cách dò tim ánh sáng huỳnh quang do ion phát ra. Phân tích vô số bước theo kiểu như vậy cho phép họ xây dựng được một bản đồ phân bố xác suất của vị trí ion. Để mở rộng nghiên cứu của họ, các nhà khoa học sử dụng hai ion, cho mỗi hạt thả bộ thêm một xác suất ở lại thay vì bước đi. Điều quan trọng, với một và hai hạt đi bộ, các nhà nghiên cứu xác nhận rằng sự thả bộ lượng tử rất khác với sự thả bộ ngẫu nhiên cổ điển, vì các hạt lượng tử phân tán ra nhanh hơn nhiều trên hành trình của chúng.

“Những thí nghiệm này mô tả đẹp đẽ làm thế nào sự thả bộ lượng tử có thể mở rộng sang nhiều bước hơn so với chứng minh trước đây, và trên hai hạt thả bộ cùng một lúc”, theo  Tobias Schaetz thuộc Viện Max Planck Vật lí Lượng tử ở Đức, nơi có nhóm cũng đang nghiên cứu sự thả bộ lượng tử.

“Những kết quả trên có áp dụng cho nghiên cứu những hiện tượng tự nhiên”, Roos nói. “Thí dụ, các nhà nghiên cứu lâu nay ngờ vực rằng sự vận chuyển năng lượng ở thực vật hiệu quả hơn nhiều nhờ vào sự thả bộ lượng tử”. Áp dụng sự thả bộ lượng tử cho các mô hình máy tính lượng tử còn có thể giúp phát triển những thuật toán tìm kiếm cao cấp sẽ vượt mặt những đối tác cổ điển của chúng, vì những kết quả khác nhau cho một phép toán cho trước có thể được chọn lựa đồng thời.

Nghiên cứu công bố trên tờ Physical Review Letters.

Theo physicsworld.com