Tách li, thu giữ và chụp ảnh từng nguyên tử Rubidium 85

Trong một đột phá vật lí quan trọng, các nhà khoa học tại trường Đại học Otago đã phát triển một kĩ thuật tách li và thu giữ một nguyên tử trung hòa đang chuyển động nhanh – và còn nhìn thấy và chụp ảnh nguyên tử này lần đầu tiên.

Sự bẫy nguyên tử rubidium 85 là kết quả của một dự án nghiên cứu 3 năm do Quỹ Nghiên cứu, Khoa học và Công nghệ tài trợ, và đã thúc đẩy niềm đam mê trên khắp thế giới đối với nền khoa học mới sẽ phát sinh từ đột phá trên.

Một đội gồm bốn nhà nghiên cứu ở Khoa vật lí thuộc trường Đại học Otago, đứng đầu là tiến sĩ Mikkel F. Andersen, đã sử dụng một công nghệ làm lạnh bằng laser để làm chậm đi đến mức kịch tính một nhóm nguyên tử rubidium 85. Sau đó, họ sử dụng một chùm laser, hay “nhíp quang học”, để tách li và giữ một nguyên tử - tại đó có thể được chụp ảnh qua một kính hiển vi.

Sau đó, các nhà nghiên cứu chứng tỏ họ có thể tạo ra một cách xác thực và nhất quán từng nguyên tử bị bẫy – một bước tiến quan trọng hướng đến việc sử dụng các nguyên tử để xây dựng các máy tính lôgic lượng tử cực nhanh, thế hệ tiếp theo, chúng khai thác uy lực của các nguyên tử để thực hiện các tác vụ xử lí thông tin phức tạp.

Tiến sĩ Andersen cho biết, không giống như các máy tính gốc silicon thông thường thực hiện mỗi lần một tác vụ, các máy tính lượng tử có tiềm năng thực hiện vô số phép tính dài dòng và khó khăn một cách đồng thời; chúng còn có tiềm năng bẻ khóa các mã bí mật thường tỏ ra quá phức tạp.

“Phương pháp của chúng tôi mang lại một cách tạo ra những nguyên tử cần thiết đó để chế tạo loại máy tính này, và hiện nay đã có thể đưa hàng chục nguyên tử bị giữ lại hoặc bị bẫy mỗi lúc”.

“Bạn cần có một bộ 30 nguyên tử nếu bạn muốn chế tạo một máy tính lượng tử có khả năng thực hiện những công việc nhất định tốt hơn các máy tính hiện có, cho nên đây là một bước tiến lớn hướng đến thực hiện yêu cầu đó một cách thành công”, ông nói.

“Giấc mơ của các nhà khoa học trong thế kỉ qua là nhìn vào thế giới lượng tử và phát triển công nghệ ở cấp độ nhỏ nhất đó – tức cấp độ nguyên tử. Cái chúng tôi thực hiện đã làm chuyển dịch tiền tuyến của cái các nhà khoa học có thể làm và mang lại cho chúng ta sự điều khiển chắc chắn của những viên gạch cấu trúc nhỏ nhất trong thế giới của chúng ta”, tiến sĩ Andersen nói.

Công trình nghiên cứu này công bố trên tạp chí khoa học Nature Physics.

Tiến sĩ Andersen cho biết trong vòng ba tuần thí nghiệm đầu tiên bẫy thành công nguyên tử rubidium, các thí nghiệm mới trước đây không nghĩ là có thể đã được triển khai.

Bước tiếp theo là thử và tạo ra một “trạng thái vướng víu” giữa các nguyên tử, một loại cộng hưởng nguyên tử tồn tại xuyên khoảng cách.

“Chúng ta cần tạo ra sự truyền thông tin giữa các nguyên tử trong đó chúng có thể cảm nhận lẫn nhau, sao cho khi chúng ở xa nhau chúng vẫn bị vướng víu và không quên nhau bất kể khoảng cách xa bao nhiêu. Đây là tính chất mà một máy tính lượng tử sử dụng để thực hiện các tác vụ một cách đồng thời”, tiến sĩ Andersen nói.

Một nguyên tử thì nhỏ đến mức 10 tỉ nguyên tử sắp liên tiếp thẳng hàng mới tạo thành một chiều dài 1 m. Các nguyên tử thường chuyển động ở tốc độ của âm thanh, khiến chúng rất khó thao tác.

Không giống như các ion, các nguyên tử trung hòa như nguyên tử ribidium 85 rất khó trói buộc vì không thể nào giữ chúng bằng điện trường. Trong thời gian gần đây, chỉ có hai loại nguyên tử trung hòa khác được các nhà khoa học trên thế giới nhìn thấy và chụp ảnh: nguyên tử rubidium 87 và nguyên tử caesium 133.

Nguồn: PhysOrg.com