Trung Quốc lập kỷ lục đáng ngạc nhiên về rối lượng tử

Theo Live Science, các nhà khoa học đã tạo ra 6 photon đặc biệt lưu trữ 18 qubit (các bit thông tin lượng tử). Ba qubit lưu trữ trong mỗi photon là điều chưa từng có trước đây và nó là một kỷ lục cho số lượng qubit liên kết với nhau thông qua hiện tượng rối lượng tử.

Vậy tại sao điều này lại đáng chú ý?

Tất cả công việc diễn ra trên máy tính thông thường hay bất cứ thiết bị nào bạn đang sử dụng để đọc bài viết này đều hoạt động dựa vào các phép tính sử dụng bit, chuyển đổi qua lại giữa hai trạng thái phân cực của photon (với "1" được biểu diễn bởi sự phân cực ngang và "0" được biểu diễn bởi sự phân cực dọc). Các máy tính lượng tử tính toán sử dụng các qubit, tương tự như dao động giữa hai trạng thái nhưng hoạt động theo các quy tắc kỳ lạ của vật lý lượng tử.

Không giống như các bit thông thường, qubit có thể có trạng thái không xác định - không có 1 cũng không có 0, nhưng có thể tồn tại cả hai trạng thái và trở thành kết nối kỳ quặc hoặc bị vướng víu, do đó trạng thái của bit này tác động trực tiếp đến bit kia. Điều này, về lý thuyết, cho phép máy tính thông thường thực hiện tất cả các phép toán. Tuy nhiên, hiện tại điện toán lượng tử đang thử nghiệm giai đoạn đầu. Các nhà khoa học vẫn đang cố gắng làm những gì có thể như trong nghiên cứu này.

Qubit có thể có trạng thái không xác định.

Sydney Schreppler, nhà vật lý lượng tử tại Đại học California ở Berkeley, người không tham gia nghiên cứu, cho biết thành tựu này khó có thể đạt được vì nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) định lưu trữ số lượng lớn qubit vào rất ít hạt photon. Bà nói: "Nếu mục tiêu là tạo ra 18 hạt "vướng víu" như đã làm trước đây thì nó sẽ là một quá trình chậm chạp".

Cụ thể, phải mất nhiều thời gian để tạo nên 6 hạt trong tình trạng vướng víu lượng tử trong cuộc thử nghiệm trước đây, trong khoảng thời gian tính toán của máy tính, thời điểm một quá trình vướng víu mới bắt đầu cho mỗi phép tính. Và mỗi hạt được bổ sung vào tình trạng vướng víu này sẽ chiếm nhiều thời gian để hòa hợp hơn là cái trước. Cho đến một thời điểm nó sẽ trở nên vô lý khi tạo sự vướng víu 18 qubit và 1 qubit kế tiếp nhau.

Mặc dù có rất nhiều thí nghiệm lượng tử liên quan đến hơn 18 qubit, nhưng trong những thí nghiệm đó, các qubit không bị vướng víu. Thay vào đó, các hệ thống chỉ xảy ra vướng víu một số qubit lân cận cho mỗi phép tính.

Trong một bài báo đăng ngày 28/6 trên tạp chí Physical Review Letters, có sẵn trên máy chủ arXiv, để 6 photon lưu trữ 3 qubit trong mỗi hạt, các nhà nghiên cứu đã lợi dụng "mức độ tự do" của photon. Khi một qubit được mã hóa thành một hạt, nó được mã hóa để hạt có thể chuyển đổi qua lại giữa các trạng thái, giống như sự phân cực hoặc spin lượng tử của nó. Mỗi trong số đó là "mức độ tự do".

Một thí nghiệm lượng tử điển hình chỉ liên quan đến một mức độ tự do của tất cả các hạt liên quan. Nhưng các hạt như photon sẽ có nhiều bậc tự do. Và bằng cách mã hóa sử dụng nhiều hơn một mức độ cùng lúc, điều mà các nhà nghiên cứu đã từng làm trước đây, nhưng không đến mức cực đoan như thế này là tạo ra một hệ thống lượng tử lưu trữ nhiều thông tin hơn vào ít hạt hơn.

Schreppler nói: "Nó giống như bạn có sáu bit trong máy tính, nhưng mỗi bit lại tăng gấp ba số lượng thông tin có thể lưu trữ được và chúng có thể làm điều đó khá nhanh chóng và hiệu quả".

Thực tế, các nhà nghiên cứu USTC đã thành công ở thử nghiệm này, không có nghĩa là các thí nghiệm tính toán lượng tử ở những nơi khác sẽ bắt đầu nghiên cứu nhiều hơn về mức độ tự do của hạt. Các photon đặc biệt hữu ích đối với một số loại hoạt động lượng tử nhất định, quan trọng nhất là mạng lượng tử, trong đó thông tin được truyền đi giữa nhiều máy tính lượng tử. Nhưng các dạng qubit khác, giống như các qubit trong các mạch siêu dẫn mà Schreppler đang phát triển, có thể không thực hiện thao tác này một cách dễ dàng như vậy.

Một bài báo đặt ra câu hỏi là, liệu tất cả các qubit tương tác có tương đương nhau hay không, hoặc liệu có sự khác biệt giữa các tương tác qubit trên cùng một hạt tương tác hay tương tác qubit trên mức độ tự do khác nhau hay không.

Các nhà nghiên cứu nói trong một bài báo rằng trong tương lai thử nghiệm này có thể áp dụng cho các phép tính toán lượng tử nhất định mặc dù cho đến nay nó chỉ được thảo luận trên lý thuyết và chưa được đưa vào hoạt động.

• Xin lỗi Einstein, các nhà khoa học vừa tìm ra được bằng chứng về rối lượng tử
• Loại Qubit mới được thiết kế có thể giúp máy tính lượng tử mạnh hơn