Lần đầu tiên các nhà khoa học nghe thấy hai nguyên tử "trò chuyện" với nhau

  •   52
  • 1.771

Máy tính lượng tử vẫn đang ở ngưỡng cửa cho tiềm năng của nó và bao quanh nó, vẫn còn nhiều lý thuyết cần được các nhà khoa học khám phá. Một trong những lý thuyết nền tảng cho máy tính lượng tử là sự vướng víu lượng tử (quantumly entangled).

Sự vướng víu này nghĩa là chiều quay của một nguyên tử độc lập sẽ có tác động trực tiếp lên một nguyên tử còn lại và về lý thuyết, điều này vẫn sẽ đúng ngay cả khi chúng nằm cách nhau rất xa. Nếu mô phỏng lại được lý thuyết này, các nhà khoa học có thể tinh chỉnh lại hệ thống máy tính lượng tử và theo dõi xem các cơ chế lượng tử hoạt động như thế nào.

Thí nghiệm này là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu có thể theo dõi tương tác đó theo thời gian.
Thí nghiệm này là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu có thể theo dõi tương tác đó theo thời gian.

Trong một thí nghiệm kỳ công, các nhà nghiên cứu có thể cô lập một cặp hai nguyên tử titan duy nhất và theo dõi khả năng tương tác giữa chúng bằng cách cho dòng điện tác động vào một nguyên tử để lật lại chiều quay của nó và sau đó đo phản ứng của nguyên tử còn lại ở khoảng cách chỉ vài nanomet. Khoảng cách này đủ gần để 2 hạt cơ bản này tương tác với nhau nhưng đủ xa để các thiết bị đo của nhóm nghiên cứu có thể được tương tác giữa chúng.

Nhà vật lý lượng tử Sander Otte, đồng tác giả của nghiên cứu này cho biết: "Phát hiện chính của nghiên cứu này là chúng tôi có thể theo dõi cách nguyên tử quay theo thời gian do tương tác chung giữa chúng." Theo Otte, trước đây các nhà nghiên cứu đã có thể đo được sức mạnh trong khả năng quay của các nguyên tử khác nhau và tác động của sức mạnh đó lên mức năng lượng của nguyên tử. Nhưng thí nghiệm này là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu có thể theo dõi tương tác đó theo thời gian.

Các nhà nghiên cứu chọn nguyên tử titan vì chúng có ít chiều quay nhất có thể - chỉ có thể quay lên hoặc xuống. Các nguyên tử titan cũng có thể được giữ lại trên một bề mặt oxit Magie ở nhiệt độ 1oK (âm 272oC) để các nhà nghiên cứu có thể quan sát chúng dưới ống kính hiển vi quét hầm lượng tử (scanning tunneling microscope). Để đảo chiều quay của một nguyên tử trong cặp này, một xung điện sẽ được đặt vào nó và ngay lập tức, một phản ứng tương tự cũng xuất hiện trên nguyên tử còn lại.

Điều này giống như khi bạn gõ vào cánh cửa, sẽ có một người ở bên trong hỏi vọng ra: "Ai gọi đó?" – hay nói cách khác, nó giống như các nguyên tử có thể nói chuyện với nhau. Toàn bộ quá trình này diễn ra trong khoảng 15 nano giây, hay 15 phần tỷ của một giây.

Trước đây các nhà khoa học đã dùng nhiều phương pháp khác nhau để nhìn vào thế giới lượng tử đầy huyền bí này, nhưng tương tác giữa chúng thường quá nhanh đến mức các phương pháp thông thường, như kỹ thuật cộng hưởng quay, cũng không thể bắt kịp nó. Với phương pháp theo dõi mới, lần đầu tiên các nhà khoa học có thể theo dõi và quan sát được hiện tượng quan trọng trong thế giới lượng tử này.

Thí nghiệm này phát hiện được sự vướng víu về chiều quay giữa hai nguyên tử.
Thí nghiệm này phát hiện được sự vướng víu về chiều quay giữa hai nguyên tử.

Nhưng theo Otte, điều kỳ diệu thực sự của nghiên cứu này vẫn chưa tới. Cho dù thí nghiệm này phát hiện được sự vướng víu về chiều quay giữa hai nguyên tử, mọi thứ sẽ trở nên ngày càng phức tạp hơn mỗi khi một nguyên tử được thêm vào phương trình.

"Nếu chúng tôi tăng lên 20 nguyên tử quay, laptop của tôi sẽ không thể tính toán chuyện gì đã xảy ra được nữa. Còn với 50 nguyên tử quay, ngay cả siêu máy tính tốt nhất thế giới cũng phải bó tay và cứ như thế." Ông Otto cho biết.

"Nếu chúng ta muốn hiểu một cách chính xác về việc cách thức hoạt động phức tạp của các vật liệu cụ thể xuất hiện như thế nào (ví dụ tính siêu dẫn), chúng ta phải "xây dựng" nên các vật liệu đó từ đầu và xem các định luật vật lý hoạt động như thế nào khi tăng từ 10 nguyên tử lên 100 hoặc 1.000".

Nhưng những con số ngày càng lớn này là bước khởi đầu cho việc đạt được thành quả cuối cùng. Thay vì chỉ nghe được "nhịp đập trái tim" của một nguyên tử duy nhất, các nhà khoa học cuối cùng có thể nghe được cả "tiếng thì thầm" trong cuộc trò chuyện lượng tử giữa nhiều nguyên tử khi chúng lật và xoay. Nhưng tất nhiên, đến đạt được cái đích đó, chúng ta sẽ cần các máy tính mạnh hơn nhiều so với hiện nay.

Cập nhật: 09/06/2021 Theo Pháp luật và bạn đọc
  • 52
  • 1.771

Theo dõi cộng đồng KhoaHoc.tv trên facebook