Trong công việc có thể dẫn đến mạnh mẽ hơn Thống kê định lượngCác nhà nghiên cứu từ Đại học Princeton đã thành công trong việc buộc các phân tử rơi vào tình trạng vướng víu lượng tử.

Lần đầu tiên, một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Princeton đã có thể liên kết các hạt riêng lẻ lại với nhau ở trạng thái “vướng víu” đặc biệt của cơ học lượng tử. Trong những trạng thái kỳ lạ này, các hạt vẫn liên kết với nhau và có thể tương tác đồng thời, ngay cả khi chúng ở cách xa nhau hàng dặm, hoặc thậm chí nếu chúng ở hai đầu đối diện của vũ trụ. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Khoa học.

Sự vướng víu phân tử: bước đột phá trong ứng dụng thực tế

Lawrence Cheok, trợ lý giáo sư vật lý tại UCLA, cho biết: “Đây là một bước đột phá trong thế giới phân tử vì tầm quan trọng cơ bản của sự vướng víu lượng tử”. Trường Đại học Princeton và là tác giả chính của bài báo. “Nhưng nó cũng là một bước đột phá lớn cho các ứng dụng thực tế vì các phân tử liên kết chéo có thể là nền tảng cho nhiều ứng dụng trong tương lai”.

Ví dụ, chúng bao gồm máy tính lượng tử có thể giải quyết một số vấn đề nhanh hơn nhiều so với máy tính cổ điển, máy mô phỏng lượng tử có thể mô hình hóa các vật liệu phức tạp có hành vi khó mô hình hóa và cảm biến lượng tử có thể đo nhanh hơn so với các đối tác cổ điển của chúng.

Thiết lập laser để làm mát, kiểm soát và liên kết chéo các phân tử riêng lẻ. Nhà cung cấp hình ảnh: Richard Soden, Khoa Vật lý, Đại học Princeton

Connor Holland, một sinh viên tốt nghiệp Khoa Vật lý, cho biết: “Một trong những động lực để nghiên cứu khoa học lượng tử là trong thế giới thực tế, hóa ra là nếu bạn khai thác các định luật của cơ học lượng tử, bạn có thể làm tốt hơn nhiều trong nhiều lĩnh vực”. . Và đồng tác giả của tác phẩm.

Khả năng của các thiết bị lượng tử hoạt động tốt hơn các thiết bị cổ điển được gọi là lợi thế lượng tử. Trọng tâm của lợi 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, gọi là qubit, có thể đồng thời ở trạng thái chồng chất 0 và 1. Khái niệm sau, sự vướng víu, là nền tảng chính của cơ học lượng tử, và xảy ra Khi hai hạt trở nên kết nối chặt chẽ với nhau, mối liên hệ này vẫn tồn tại, ngay cả khi một trong hai hạt cách xa hạt kia nhiều năm ánh sáng. Hiện tượng này được mô tả bởi Albert Einstein, người ban đầu nghi ngờ tính xác thực của nó, là “hành động ma quái ở khoảng cách xa”. Kể từ đó, các nhà vật lý đã chứng minh rằng sự vướng víu thực sự là một mô tả chính xác về thế giới vật chất và cách thực tế được cấu trúc.

Những thách thức và tiến bộ trong vướng víu lượng tử

Cheok nói: “Sự vướng víu lượng tử là một khái niệm cơ bản, nhưng nó cũng là yếu tố then chốt mang lại lợi thế lượng tử”.

Nhưng việc xây dựng lợi thế lượng tử và đạt được sự vướng víu lượng tử có thể kiểm soát vẫn là một thách thức, đặc biệt là vì 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 ion bị bẫy, photon và mạch siêu dẫn, cùng một số công nghệ khác – đã được khám phá như những ứng cử viên cho máy tính và thiết bị lượng tử. Hệ thống lượng tử hoặc nền tảng qubit tối ưu có thể phụ thuộc tốt vào ứng dụng cụ thể.

Nhưng cho đến tận thí nghiệm này, các phân tử từ lâu đã thách thức sự vướng víu lượng tử có thể kiểm soát được. Nhưng Cheok và các đồng nghiệp của ông đã tìm ra cách, thông qua thao tác chính xác trong phòng thí nghiệm, để kiểm soát từng phân tử riêng lẻ và dụ chúng vào các trạng thái lượng tử vướng víu này. Họ cũng tin rằng các phân tử có những ưu điểm nhất định – chẳng hạn như so với các nguyên tử – khiến chúng đặc biệt thích 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 bậc tự do lượng tử lớn hơn và có thể tương tác theo những cách mới.

Yukai Lu, một sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện và máy tính và là đồng tác giả của bài báo, cho biết: “Về mặt thực tế, điều này có nghĩa là có những cách mới để lưu trữ và xử lý thông tin lượng tử”. “Ví dụ, một phân tử có thể dao động và quay ở nhiều chế độ. Vì vậy, bạn có thể sử dụng hai trong số các chế độ này để mã hóa một qubit. Nếu một phân tử Phân loại Nếu nó là cực, hai phân tử có thể tương tác ngay cả khi chúng cách xa nhau về mặt không gian.

Tuy nhiên, việc kiểm soát các phân tử trong phòng thí nghiệm tỏ ra rất khó khăn do tính phức tạp của chúng. Mức độ tự do khiến chúng trở nên hấp dẫn cũng khiến chúng khó kiểm soát hoặc thích nghi trong môi trường phòng thí nghiệm.

Kỹ thuật thử nghiệm sáng tạo và triển vọng trong tương lai

Cheok và nhóm của ông đã giải quyết nhiều thách thức này thông qua một thí nghiệm được cân nhắc kỹ lưỡng. Đầu tiên họ chọn một loại phân tử có cực và có thể được làm lạnh bằng tia laser. Sau đó, họ làm lạnh các phân tử bằng tia laser đến nhiệt độ cực lạnh trong đó cơ học lượng tử chiếm vị trí trung tâm. Sau đó, các phân tử riêng lẻ được thu giữ bởi một hệ thống phức tạp gồm các chùm tia laser tập trung cao độ, được gọi là “nhíp quang học”. Bằng cách thiết kế các vị trí nhíp, họ có thể tạo ra các mảng lớn gồm các phân tử đơn lẻ và đặt chúng riêng lẻ theo bất kỳ cấu hình một chiều mong muốn nào. Ví dụ, họ đã tạo ra các cặp phân tử biệt lập và cả các chuỗi phân tử không có khiếm khuyết.

Tiếp theo, họ mã hóa qubit ở trạng thái không có spin của phân tử. Họ đã có thể chứng minh rằng qubit phân tử này vẫn mạch lạc, nghĩa là nó ghi nhớ được sự chồng chất của nó. Tóm lại, các nhà nghiên cứu đã chứng minh được khả năng tạo ra các qubit mạch lạc, được kiểm soát tốt từ các hạt được kiểm soát riêng lẻ.

Để làm vướng víu các phân tử, họ phải làm cho phân tử tương tác với nhau. Bằng cách sử dụng một loạt xung vi sóng, họ có thể làm cho các phân tử riêng lẻ tương tác với nhau một cách mạch lạc. Bằng cách cho phép phản ứng tiếp tục trong một khoảng thời gian xác định, họ có thể tạo ra một cổng hai qubit làm vướng víu hai phân tử. Điều này rất quan trọng vì cổng vướng víu hai qubit như vậy là khối xây dựng cơ bản cho cả điện toán lượng tử kỹ thuật số phổ quát và mô phỏng các vật liệu phức tạp.

Tiềm năng của nghiên cứu này nhằm 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 này dành cho mảng nhíp phân tử. Đặc biệt, đội Princeton quan tâm đến việc khám phá cơ sở vật lý của nhiều hạt tương tác, chúng có thể dùng để mô phỏng các hệ lượng tử nhiều vật trong đó các hành vi mới xuất hiện thú vị như các dạng từ tính mới có thể xuất hiện.

Cheok nói: “Việc sử dụng các phân tử trong khoa học lượng tử là một biên giới mới và việc chứng minh sự vướng víu theo yêu cầu của chúng tôi là một bước quan trọng để chứng minh rằng các phân tử có thể được sử dụng như một nền tảng khả thi trong khoa học lượng tử”.

Trong một bài viết riêng đăng trên cùng số báo của Khoa họcMột nhóm nghiên cứu độc lập do John Doyle và Kang Kuen Ni tại Đại học Harvard và Wolfgang Ketterle tại MIT dẫn đầu cũng đạt được kết quả tương tự.

Cheok nói: “Việc họ nhận được kết quả giống nhau đã khẳng định độ tin cậy của kết quả của chúng tôi. “Họ cũng cho thấy rằng các mảng nhíp phân tử đang trở thành một nền tảng mới thú vị cho khoa học lượng tử.”

Tham khảo: “Sự vướng víu theo yêu cầu của các phân tử trong một mảng nhíp quang học có thể cấu hình lại” của Connor M. Holland, Yukai Lu và Lawrence W. Cheok, ngày 7 tháng 12 năm 2023, Khoa học.
doi: 10.1126/science.adf4272

Công trình được hỗ trợ bởi Đại học Princeton, Quỹ khoa học quốc gia (Số tài trợ 2207518) và Quỹ Sloan (Số tài trợ FG-2022-19104).