Giả lập các hiện tượng vật lý phức tạp trong vật lý lượng tử

khoahoc.tv - Các nhà vật lý làm việc tại Đại học Innsbruck và Viện Quang học Lượng tử và Thông tin Lượng tử tại Innsbruck, Áo, đã thành công trong việc áp dụng những tiến bộ của kỹ thuật số nhằm nghiên cứu các hiện tượng vật lý phức tạp thông qua các mô hình giả lập. Chẳng hạn, mô phỏng các hiện tượng vật lý lượng tử. Các nhà nghiên cứu cũng nhận ra rằng về nguyên tắc, họ có thể mô phỏng bất kỳ hiện tượng vật lý nào một cách hiệu quả.

Mô tả toán học của hiện tượng vật lý được lập trình bằng cách sử dụng một loạt các xung laser để thực hiện một phép tính lượng tử với các nguyên tử

Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí Science.

Cách đây 2 năm, các nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Rainer Blatt và Christan Roos đến từ Đại học Innsbruck, Áo, đã tái lập các thuộc tính của một hạt chuyển động gần với tốc độ ánh sáng trong một hệ thống lượng tử. Các nhà nghiên cứu đã mã hóa các trạng thái của hạt này vào một nguyên tử canxi cực lạnh và sử dụng tia laser để điều khiển nó theo các phương trình được đề xuất bởi nhà vật lý lượng tử nổi tiếng Paul Dirac. Qua đó, các nhà khoa học có thể mô phỏng hiện tượng vật lý được gọi là Zitterbewegung (chuyển động run rẩy) của các hạt tương đối, vốn chưa từng được quan sát trực tiếp trong tự nhiên trước đây.

Hiện tại, các nhà vật lý sử dụng cách tiếp cận kỹ thuật số thay vì cách tiếp cận tương tự trước đó, và kỹ thuật mô phỏng lượng tử kỹ thuật số này, có thể được lập trình để mô phỏng hiệu quả bất kỳ hiện tượng vật lý phức tạp nào. "Trong quá trình thực hiện thí nghiệm này, chúng tôi nhận thấy rằng chúng tôi hầu như có thể tái tạo và nghiên cứu nhiều hiện tượng vật lý phức tạp trên cùng hệ thống", theo Benjamin Lanyon, làm việc tại Viện Quang học lượng tử và Thông tin Lượng tử (IQOQI), trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Áo. "Khi chúng tôi muốn nghiên cứu một hiện tượng khác, chúng tôi chỉ cần lập trình lại dựa trên những mô phỏng cũ."

Các nhà vật lý ở Đại học Innsbruck đã sử dụng một máy tính lượng tử để mô phỏng các khối xây dựng. Mô tả toán học của hiện tượng vật lý phức tạp được lập trình bằng cách sử dụng một loạt các xung laser để thực hiện một phép tính lượng tử với các nguyên tử.

Dưới tác động của một loạt các xung Laser, các nguyên tử canxi cực lạnh sẽ được tích điện, đóng vai trò như các phần tử mang các bit lượng tử (qubit). "Chúng tôi mong muốn mã hóa các trạng thái ban đầu của hệ thống, nhằm nghiên cứu về các bit lượng tử (qubit) và các thiết lập phát sinh bởi tác dụng của các xung laser", Christian Roos giải thích.

Roos và các đồng nghiệp đã chứng minh phương pháp này trong hai thí nghiệm tại Đại học Innsbruck và Viện Quang học Lượng tử và Thông tin Lượng tử, tại Innsbruck sử dụng tới 100 cổng giao tiếp và 6 qubit. "Một trong những kết quả của nghiên cứu mới đó là việc mô phỏng được các quá trình tương tác và động lực học mà trên thực tế thậm chí các quá trình này không thực sự xuất hiện trong máy tính lượng tử," Benjamin Lanyon nói.

Lanyon tin rằng điều này sẽ là một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của một máy tính lượng tử trong tương lai. "Tuy nhiên, chúng tôi vẫn cần một số lượng cao hơn đáng kể của các bit lượng tử. Điều này có nghĩa là chúng tôi cần phải kiểm soát và thao tác lên đến 40 nguyên tử, trong cùng một cách chính xác như chúng tôi đã làm trong thí nghiệm này", Lanyon nói thêm.

Hiện tượng vật lý, thường được mô tả bởi các phương trình, có thể quá phức tạp để giải quyết. Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu sử dụng các mô hình mô phỏng trên máy tính nhằm nhanh chóng giải đáp các thắc mắc.

Bởi vì chiến lược này là không khả thi ngay cả đối với hệ thống lượng tử tương đối nhỏ do sự hạn chế của tốc độ xử lý của máy tính cổ điển, nhà vật lý người Mỹ, Richard Feynman, đã từng đề xuất mô phỏng những hiện tượng vật lý phức tạp này trên các hệ thống máy tính lượng tử thử nghiệm. Năm 1996, nhà lý luận Seth Lloyd đã khẳng định tính khả thi của phương pháp này máy tính lượng tử có thể được lập trình hiệu quả để mô phỏng bất kỳ hiện tượng vật lý nào. Một điều kiện tiên quyết cho cách tiếp cận này là phải hoàn toàn kiểm soát được công nghệ và thiết lập được mô phỏng.

Điều này đã được thực hiện bởi nhóm các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi Rainer Blatt, làm việc trên máy tính lượng tử trong vài năm qua. Dựa trên nền tảng này, các nhà vật lý lần đầu tiên đã thực hiện thí điểm thành công một mô phỏng lượng tử.

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Áo, Liên minh châu Âu (EU) và Liên đoàn Công nghiệp Áo Tyrol.