Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách bắt và cứu con mèo nổi tiếng của Schrödinger, biểu tượng của sự chồng chất lượng tử và không thể đoán trước, bằng cách dự đoán những cú nhảy của nó và hành động trong thời gian thực để cứu nó khỏi cái chết của câu tục ngữ.
Các nhà nghiên cứu của Yale đã tìm ra cách bắt và cứu con mèo nổi tiếng của Schrödinger, biểu tượng của sự chồng chất lượng tử và không thể đoán trước, bằng cách dự đoán những cú nhảy của nó và hành động trong thời gian thực để cứu nó khỏi cái chết tục ngữ. Trong quá trình đó, họ đã đảo ngược nhiều năm giáo điều nền tảng trong vật lý lượng tử.
Phát hiện này cho phép các nhà nghiên cứu thiết lập một hệ thống cảnh báo sớm về những bước nhảy sắp xảy ra của các nguyên tử nhân tạo có chứa thông tin lượng tử. Một nghiên cứu công bố phát hiện này xuất hiện trong ấn bản trực tuyến ngày 3/6 của tạp chí Nature .
Con mèo của Schrödinger là một nghịch lý nổi tiếng được sử dụng để minh họa khái niệm chồng chất – khả năng hai trạng thái đối lập tồn tại đồng thời – và không thể đoán trước được trong vật lý lượng tử. Ý tưởng là một con mèo được đặt trong một hộp kín có nguồn phóng xạ và chất độc sẽ được kích hoạt nếu một nguyên tử của chất phóng xạ phân rã. Lý thuyết chồng chất của vật lý lượng tử cho thấy rằng cho đến khi ai đó mở hộp, con mèo vừa sống vừa chết, một sự chồng chất của các trạng thái. Mở hộp để quan sát con mèo khiến nó đột ngột thay đổi trạng thái lượng tử của nó, buộc nó phải chết hoặc còn sống.
Bước nhảy lượng tử là sự thay đổi rời rạc (không liên tục) và ngẫu nhiên trong trạng thái khi nó được quan sát.
Thí nghiệm, được thực hiện trong phòng thí nghiệm của giáo sư Yale Michel Devoret và được đề xuất bởi tác giả chính Zlatko Minev, lần đầu tiên nhìn vào hoạt động thực tế của một bước nhảy lượng tử. Kết quả cho thấy một phát hiện đáng ngạc nhiên mâu thuẫn với quan điểm đã được thiết lập của nhà vật lý người Đan Mạch Niels Bohr – các bước nhảy không đột ngột cũng không ngẫu nhiên như suy nghĩ trước đây.
Đối với một vật thể nhỏ như electron, phân tử hoặc nguyên tử nhân tạo chứa thông tin lượng tử (được gọi là qubit), bước nhảy lượng tử là sự chuyển đổi đột ngột từ trạng thái năng lượng rời rạc của nó sang trạng thái năng lượng rời rạc khác. Trong việc phát triển máy tính lượng tử, các nhà nghiên cứu chủ yếu phải đối phó với các bước nhảy của các qubit, đó là những biểu hiện của lỗi trong tính toán.
Các bước nhảy lượng tử bí ẩn đã được Bohr đưa ra giả thuyết cách đây một thế kỷ, nhưng không được quan sát cho đến những năm 1980, trong các nguyên tử.
“Những bước nhảy này xảy ra mỗi khi chúng ta đo một qubit”, Devoret, Giáo sư Vật lý và Vật lý Ứng dụng FW Beinecke tại Yale và là thành viên của Viện Lượng tử Yale nói. “Nhảy lượng tử được biết là không thể đoán trước trong thời gian dài.”
“Mặc dù vậy,” Minev nói thêm, “Chúng tôi muốn biết liệu có thể nhận được tín hiệu cảnh báo trước rằng một cú nhảy sắp xảy ra sắp xảy ra hay không.”
Minev lưu ý rằng thí nghiệm được lấy cảm hứng từ một dự đoán lý thuyết của giáo sư Howard Carmichael của Đại học Auckland, người tiên phong về lý thuyết quỹ đạo lượng tử và là đồng tác giả của nghiên cứu.
Ngoài tác động cơ bản của nó, phát hiện này là một bước tiến lớn tiềm năng trong việc hiểu và kiểm soát thông tin lượng tử. Các nhà nghiên cứu cho biết việc quản lý dữ liệu lượng tử một cách đáng tin cậy và sửa lỗi khi chúng xảy ra là một thách thức chính trong việc phát triển các máy tính lượng tử hoàn toàn hữu ích.
Nhóm Yale đã sử dụng một phương pháp đặc biệt để theo dõi gián tiếp một nguyên tử nhân tạo siêu dẫn, với ba máy phát vi sóng chiếu xạ nguyên tử được bao trong một khoang 3D làm bằng nhôm. Phương pháp giám sát gián tiếp gấp đôi, được phát triển bởi Minev cho các mạch siêu dẫn, cho phép các nhà nghiên cứu quan sát nguyên tử với hiệu quả chưa từng có.
Bức xạ vi sóng khuấy động nguyên tử nhân tạo khi nó được quan sát đồng thời, dẫn đến các bước nhảy lượng tử. Tín hiệu lượng tử nhỏ của các bước nhảy này có thể được khuếch đại mà không làm giảm nhiệt độ phòng. Ở đây, tín hiệu của họ có thể được theo dõi trong thời gian thực. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu thấy sự vắng mặt đột ngột của các photon phát hiện (các photon phát ra từ trạng thái phụ trợ của nguyên tử bị kích thích bởi vi sóng); sự vắng mặt nhỏ bé này là cảnh báo trước của một bước nhảy lượng tử.
“Hiệu ứng đẹp mắt được thể hiện bởi thí nghiệm này là sự gia tăng sự gắn kết trong khi nhảy, mặc dù có sự quan sát của nó,” Devoret nói. Đã thêm Minev, “Bạn có thể tận dụng điều này để không chỉ bắt được cú nhảy, mà còn đảo ngược nó.”
Đây là một điểm rất quan trọng, các nhà nghiên cứu cho biết. Mặc dù các bước nhảy lượng tử xuất hiện rời rạc và ngẫu nhiên trong thời gian dài, đảo ngược bước nhảy lượng tử có nghĩa là sự tiến hóa của trạng thái lượng tử sở hữu, một phần, là một đặc tính xác định và không ngẫu nhiên; bước nhảy luôn xảy ra theo cùng một cách, có thể dự đoán được từ điểm bắt đầu ngẫu nhiên của nó.
“Cú nhảy lượng tử của một nguyên tử có phần giống với sự phun trào của núi lửa”, Minev nói. “Chúng hoàn toàn không thể đoán trước được trong thời gian dài. Tuy nhiên, với sự giám sát chính xác, chúng tôi có thể chắc chắn phát hiện một cảnh báo trước về một thảm họa sắp xảy ra và hành động trước khi nó xảy ra.
Các đồng tác giả khác của nghiên cứu bao gồm Robert Schoelkopf, Chaianu Mundhada, Shyam Shankar và Philip Reinhold, tất cả của Yale; Ricardo Gutiérrez-Jáuregui của Đại học Auckland; và Mazyar Mirrahimi, từ Viện Nghiên cứu Khoa học Máy tính và Tự động hóa của Pháp. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ. Nghiên cứu mới là bước mới nhất trong công việc nghiên cứu lượng tử của Yale. Các nhà khoa học của Yale luôn đi đầu trong nỗ lực phát triển các máy tính lượng tử hoàn toàn hữu ích đầu tiên và đã thực hiện công việc tiên phong trong điện toán lượng tử với các mạch siêu dẫn.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Yale . Bản gốc được viết bởi Jim Shelton. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :