Tủ lạnh nhỏ nhất thế giới

Biểu đồ các mức năng lượng và tương tác của tủ lạnh Bristol ba qubit. (Ảnh: APS)

Đối với đa số mọi người, tủ lạnh là ngăn đựng đầu thức ăn và nước uống đông lạnh – nhưng nay một nhóm nghiên cứu ở Anh vừa chứng minh rằng người ta có thể chế tạo ra một cái tủ lạnh, chỉ sử dụng hai hạt lượng tử (hay thậm chí một hạt thôi) để làm lạnh một hạt lượng tử khác. Họ tin rằng một dụng cụ như vậy có thể khai thác trong ngành công nghệ nano và những phiên bản của nó thậm chí có thể đã tồn tại trong tự nhiên.

Các nhà vật lí đã chế tạo ra các tủ lạnh, sử dụng chỉ một vài nguyên tử. Tuy nhiên, để làm như vậy, họ sử dụng một nguồn năng lượng ngoài, thí dụ như một chùm laser, để điều khiển sự làm lạnh. Điều này tương đương với cái xảy ra bên trong một chiếc tủ lạnh gia dụng được điều khiển bằng một động cơ điện – cả hai cơ cấu đều phản ánh yêu cầu cơ ban của định luật thứ hai của nhiệt động lực học rằng cần có năng lượng để truyền nhiệt từ một vật nóng sang một vật nguội hơn.

Nhưng nhà toán học Noah Linden và các nhà vật lí Sandu Popescu và Paul Skrzypczyk ở trường Đại học Bristol thì chọn một cách tiếp cận khác. Thay vì cố gắng đi tìm một phương pháp thực tiễn nhằm chế tạo một chiếc tủ lạnh vi mô, họ nhắm đến mục tiêu chỉ rõ xem một cái tủ lạnh có thể nhỏ đến mức nào trên lí thuyết. Họ làm điều này bằng cách chỉ ra làm thế nào loại bỏ nguồn năng lượng vĩ mô bên ngoài và thay vào đó sử dụng ba nguồn nhiệt, thay cho hai nguồn. Như Popescu giải thích, một cái tủ lạnh gia dụng có thể xem là có hai nguồn nhiệt (một nguồn lạnh bên trong và một nguồn ấm bên ngoài) cộng với một động cơ, nhưng nó còn có thể mô tả theo ba nguồn nhiệt, với nguồn thứ hai, nguồn nóng, đã và đang được sử dụng ở nhà máy điện sản xuất ra điện năng.

Các qubit đông lạnh

Mẫu Bristol có ba dạng, một trong số đó gồm ba bit lượng tử, hay qubit, các hạt chỉ có thể tồn tại trong hai trạng thái khả dĩ. Hai trong những qubit này tạo thành tủ lạnh, còn qubit thứ ba là đối tượng được làm lạnh. Các nhà nghiên cứu thiết lập hệ sao cho năng lượng kết hợp của các trạng thái kích thích của một trong các qubit  từ tủ lạnh và qubit được làm lạnh, nói thí dụ qubit một và ba, bằng với năng lượng kết hợp của trạng thái kích thích của qubit hai. Với 1 biểu diễn một trạng thái kích thích của qubit và 0 là trạng thái cơ bản của nó, điều này có nghĩa là các trạng thái hệ 101 và 010 có năng lượng như nhau.

Cơ học lượng tử phát biểu rằng nếu tất cả các qubit ở nhiệt độ bằng nhau, thì các trạng thái hệ này sẽ có xác suất tồn tại bằng nhau, nói cách khác hệ sẽ liên tục đảo lật giữa trạng thái một và trạng thái kia, trải qua những lượng thời gian như nhau cho cả hai.  Tuy nhiên, việc làm lạnh qubit số ba, nghĩa là kéo nó từ trạng thái 1 xuống trạng thái 0, hay nói cách khác, phân cực hệ sao cho nó trải qua thời gian ở trạng thái 010 nhiều hơn trải qua ở trạng thái 101. Theo các nhà nghiên cứu, yêu cầu này có thể thực hiện bằng cách cho qubit một tiếp xúc với một nguồn nóng, trong khi qubit hai tiếp xúc với một nguồn âm ấm và qubit ba thì tiếp xúc với một nguồn lạnh. Theo cách này, qubit một sẽ buộc phải tồn tại ở năng lượng cao của nó, nghĩa là ở trạng thái 1, đưa hệ vào trạng thái 101. Khi đó, hệ có khả năng lật đảo từ 101 sang 010 lớn hơn sự đảo ngược lại, do đó làm lạnh qubit thứ ba đến một nhiệt độ thấp hơn nguồn nhiệt của nó.

Hai mẫu thiết kế kia còn nhỏ hơn nữa, mặc dù có chút khó hình dung hơn. Một mẫu sử dụng một qubit và một qutrit, một hạt lượng tử chỉ có thể tồn tại trong ba trạng thái khả dĩ. Còn nhỏ hơn nữa là khả năng thứ ba – chỉ độc có một qutrit. Mẫu này xây dựng trên cơ sở là ba trạng thái của qutrit có sự phân bố không gian khác nhau, nghĩa là trên nguyên tắc chúng có thể cho tiếp xúc với ba nguồn nhiệt khác nhau. “Chúng tôi tin đây là hệ khả dĩ nhỏ nhất có thể gọi là tủ lạnh”, Linden nói.

Những ứng dụng thực tiễn

Mặc dù công trình của họ mang tính lí thuyết thuần túy, nhưng các nhà nghiên cứu tin rằng một cái tủ lạnh xây dựng trên mẫu thiết kế thứ nhất của họ trên thực tế có thể chế tạo mà không quá khó khăn – có lẽ bằng cách sử dụng ba ion khác nhau giữ trong các trường điện từ. Họ cho biết một cái tủ lạnh như vậy có thể dùng để làm lạnh các bộ phận của các dụng cụ công nghệ nano như các dụng cụ bên trong máy tính lượng tử trong tương lai, và họ cho rằng tự nhiên có lẽ cũng đã sử dụng công nghệ này rồi. Thí dụ, việc làm lạnh các enzyme sẽ làm giảm tốc độ mà những phản ứng hóa học nhất định xảy ra, và do đó làm điều hòa các quá trình xảy ra bên trong cơ thể.

Đội Bristol nhận thấy tủ lạnh của họ có thể làm lạnh tùy ý đến gần không độ tuyệt đối, nhưng họ không biết nó có kém hiệu quả hơn các dụng cụ vĩ mô hay không, nói cách khác, chẳng biết điều kiện phải sử dụng rất hạn chế một số trạng thái lượng tử có gây bất lợi cho mẫu thiết kế của họ hay không. Nhưng họ không nhận thấy đây là vấn đề gì nghiêm tọng. Như họ báo cáo trong một bài báo khác chưa công bố (arXiv: 1009.0865), các dụng cụ lượng tử của họ có thể đạt tới hiệu suất Carnot – hiệu suất cao nhất có thể có của bất kì máy nhiệt nào.

Günter Mahler ở trường Đại học Stuttgard thì tin rằng công trình của các nhà nghiên cứu Bristol sẽ kích thích “có thêm thảo luận và nghiên cứu khác”. Ông mô tả nó là một mảng nghiên cứu lí thuyết đầy hấp dẫn, nhưng ông không biết nó có dễ triển khai thành những dụng cụ thực tế hay không. Đặc biệt, ông cho biết, nhưng nguồn nhiệt khác nhau sẽ phải giữ tách biệt nhau để tránh sự rò rỉ nhiệt không mong muốn. “Nhưng chúng ta đều biết, yêu cầu này sẽ đòi hỏi sự tách li không gian”, ông nói, “điều đó hơi phản tác dụng đối với các dụng cụ nano tương lai vốn cần định xứ hóa”.

Nguồn: physicsworld.com