Nhưng bạn đừng hy vọng bước đột phá này sẽ giúp bạn tạo ra cỗ máy thời gian trong tương lai.
Theo một nghiên cứu mới được công bố, máy tính lượng tử của Google vừa mới đạt được một bước đột phá chưa từng có, tạo ra một "tinh thể thời gian", khái niệm lư thuyết về một dạng tồn tại của vật chất. Bất chấp tên gọi của ḿnh, tinh thể thời gian không hẳn giúp bạn tạo ra một cỗ máy thời gian, mà thay vào đó nó có thể mở đường cho việc tạo nên các máy tính lượng tử ổn định hơn, đáng tin cậy hơn và hữu ích hơn cho nhân loại.
Tinh thể thời gian là ǵ?
Lư thuyết về tinh thể thời gian được đề xướng vào năm 2012 bởi nhà khoa học Frank Wilczek. Nếu các tinh thể trong tự nhiên – ví dụ kim cương – được h́nh thành từ mạng lưới các nguyên tử liên kết với nhau theo một dạng biến đổi không gian tuần hoàn, khi chúng lặp đi lặp lại trong cấu trúc tinh thể.
Từ điều này, Wilczek đă h́nh dung về một vật thể gồm nhiều phần cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng, giống như một viên kim cương. Nhưng khi vật thể này bị phá vỡ tính đối xứng thời gian tịnh tiến (time-translation symmetry), nó sẽ trải qua các chuyển động tuần hoàn và quay trở lại cấu trúc ban đầu trong những khoảng thời gian đều đặn. Quan trọng hơn cả, vật thể này vận động ngay cả trong trạng thái năng lượng thấp nhất của chúng.
Tức là ngay cả khi đang ở trạng thái cơ bản – nơi không xuất hiện năng lượng, vật thể này vẫn có vận động bằng cách liên tục sắp xếp thẳng hàng những nguyên tử bên trong chúng, và lặp đi lặp lại theo một chu kỳ lặp liên hồi. Đó chính là lư do cho cái tên mà ông Wilczek đặt cho nó: Tinh thể thời gian.
Tính chất nghe có vẻ giống với một động cơ vĩnh cửu này khiến cho các nhà khoa học bất đồng về việc liệu một vật thể như vậy có thể tồn tại trong thực tế hay không khi nó đi ngược lại quy tắc các quy tắc nhiệt động lực học thông thường. Từ khi lư thuyết này ra đời cho đến nay, nhiều nghiên cứu đă nỗ lực tạo nên tinh thể thời gian ở các cấp độ khác nhau nhưng đều chưa thành công.
Làm được điều không thể
Thế nhưng trong một nghiên cứu mới được công bố, các nhà khoa học ở Google cùng với các nhà vật lư tại Đại học Princeton, Stanford và nhiều trường đại học khác, đă tuyên bố rằng, máy tính lượng tử của Google đă làm được điều mà nhiều người cho rằng bất khả thi này.
Theo lời giải thích từ trang Quanta Magazine, về cơ bản, một tinh thể thời gian tạo thành từ sự kết hợp 3 yếu tố cốt lơi. Đầu tiên là một dăy hạt với hướng quay bằng chiều quay từ tính riêng (hay c̣n gọi là spin). Ví dụ 4 hạt được xếp theo thứ tự quay lên, quay xuống, quay xuống và quay lên ở mức năng lượng thấp. Nhưng một can thiệp ngẫu nhiên có thể đưa các hạt này lên mức năng lượng cao hơn. Đây được gọi là trạng thái "bản địa hóa nhiều phần" (many-body localization).
Thứ hai là việc đổi hướng quay của tất cả các hạt này – về cơ bản là tạo ra một phiên bản phản chiếu của nó – c̣n được gọi là trật tự Eigenstate. Điều này tạo ra một trạng thái bản địa hóa nhiều phần thứ cấp.
Cuối cùng là ứng dụng từ laser. Tia laser sẽ tạo nên các chu kỳ chuyển đổi liên tục giữa các trạng thái này – từ b́nh thường sang trạng thái phản chiếu và sau đó lại trở lại b́nh thường – mà không làm tiêu hao năng lượng ṛng từ tia laser. Điều này c̣n được biết đến với cái tên tinh thể thời gian Floquet, được đề xuất lần đầu vào năm 2016.
Trong khi đó máy tính lượng tử của Google có tên Sycamore được trang bị một con chip lượng tử 20 qubit, hay c̣n gọi các hạt lượng tử có kiểm soát – mỗi hạt lượng tử có thể duy tŕ 2 trạng thái 0 và 1 cùng lúc. Bằng cách tinh chỉnh mức độ tương tác giữa qubit riêng biệt, các nhà nghiên cứu có thể ngẫu nhiên hóa các tương tác này và tạo ra được nhiều trạng thái bản địa hóa nhiều phần. Sau đó năng lượng từ tia laser đưa các hạt này vào trạng thái phản chiếu của chính nó, mà không làm thay đổi chiều quay của hạt.
Qubit của Google c̣n bao gồm các dải nhôm siêu dẫn. Mỗi dải có hai trạng thái năng lượng, được lập tŕnh để biểu thị chiều quay lên hoặc quay xuống của mỗi qubit. Nhờ vào ưu điểm là khả năng tùy chỉnh mức độ tương tác giữa các qubit trong máy tính lượng tử Sycamore của Google, các nhà nghiên cứu có thể biến nó thành một tinh thể thời gian.
Các lập tŕnh viên có thể ngẫu nhiên hóa cường độ tương tác của các qubit và sự ngẫu nhiên hóa này đă tạo ra các va chạm phá hủy giữa những qubit để cho phép tạo ra một dăy các qubit có chiều quay riêng – tương tự như yếu tố đầu tiên của tinh thể thời gian: trạng thái bản địa hóa nhiều phần.
Từ một dăy các qubit có spin riêng này, các nhà nghiên cứu tạo ra những cách sắp xếp khác nhau dựa vào chiều quay của chúng như: lên, xuống, xuống, lên và tương tự như vậy. Sau đó, họ dùng các xung vi sóng để đảo ngược chiều quay của các qubit này và tạo ra phiên bản phản chiếu của chúng.
Bằng cách chạy thử nghiệm hàng chục ngh́n lần với mỗi cách sắp xếp khác nhau và đo lường trạng thái của các qubit sau khi chạy một quăng thời gian khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể quan sát rằng cấu h́nh chiều quay của cả hệ thống liên tục thay đổi qua lại giữa hai trạng thái bản địa hóa nhiều phần.
Dấu hiệu của giai đoạn này diễn ra cực kỳ ổn định. Cách sắp xếp chiều quay của cả hệ thống vẫn được giữ nguyên ngay cả khi các xung vi sóng thay đổi. Các nhà nghiên cứu nhận thấy, các xung vi sóng không chỉ đảo ngược chiều quay của các qubit và đưa chúng lại trạng thái b́nh thường sau hai xung, mà việc thay đổi trạng thái này c̣n không hấp thụ hay làm tiêu tán năng lượng từ xung vi sóng của tia laser, khiến cho sự nhiễu loạn của hệ thống không thay đổi.
Điều này có ư nghĩa ǵ?
Trên thực tế, đây không phải lần đầu tiên một tinh thể thời gian Floquet được tạo ra. Ngày 5 tháng Bảy, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft của Hà Lan đă chế tạo được một tinh thể thời gian Floquet bằng từ các chiều quay của các nguyên tử carbon trong kim cương, thay v́ các qubit trong bộ xử lư lượng tử. Tuy vậy, hệ thống của Delft nhỏ hơn và hạn chế hơn so với tinh thể thời gian trong bộ xử lư lượng tử của Google.
Vẫn chưa rơ ứng dụng thực tế của tinh thể thời gian Floquet này là ǵ, nhưng theo một lư thuyết của nhà nghiên cứu Normal Yao, sự ổn định của hệ thống này hứa hẹn tạo ra một bộ nhớ gần như hoàn hảo cho máy tính lượng tử.
Do trạng thái lượng tử của bộ xử lư lượng tử đặc biệt dễ bị gián đoạn do các biến động bên ngoài, trong khi đó, các tinh thể thời gian lại có khả năng giữ nguyên cấu h́nh của ḿnh ngay cả trong những thay đổi về dao động của xung vi sóng. Tuy nhiên đây vẫn chỉ là một lư thuyết và chưa có ǵ hoàn toàn chắc chắn về điều này. Chính v́ vậy, việc tạo ra một tinh thể thời gian ổn định từ máy tính lượng tử của Google sẽ mở đường cho t́m ra các ứng dụng thực tế của nó trong tương lai.
VietBF @ Sưu tầm
