Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một phương pháp mới cho phép trạng thái lượng tử của ‘qubit’ nguyên tử – đơn vị thông tin cơ bản trong máy tính lượng tử – được đo với sai số ít hơn hai mươi lần so với trước đây, mà không mất bất kỳ nguyên tử nào.
Một phương pháp mới cho phép trạng thái lượng tử của “qubit” nguyên tử – đơn vị thông tin cơ bản trong máy tính lượng tử – được đo với sai số ít hơn hai mươi lần so với trước đây, mà không mất bất kỳ nguyên tử nào. Đo chính xác các trạng thái qubit, tương tự như trạng thái một hoặc 0 của bit trong điện toán truyền thống, là một bước quan trọng trong sự phát triển của máy tính lượng tử. Một bài viết mô tả phương pháp của các nhà nghiên cứu tại bang Pennsylvania xuất hiện vào ngày 25 tháng 3 năm 2019 trên tạp chí Vật lý tự nhiên (Nature Physics.) .
David Weiss, giáo sư vật lý tại bang Pennsylvania, lãnh đạo nhóm nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đang làm việc để phát triển một máy tính lượng tử sử dụng một loạt các nguyên tử xê-ri làm mát bằng laser và bẫy ba chiều làm qubit”. “Do cách thức hoạt động của cơ học lượng tử, các qubit nguyên tử có thể tồn tại một ‘sự chồng chất (superposition)’ của hai trạng thái, có nghĩa là chúng có thể đồng thời ở cả hai trạng thái. Để đọc kết quả của một tính toán lượng tử, cần phải thực hiện phép đo trên mỗi nguyên tử. Mỗi phép đo tìm thấy mỗi nguyên tử chỉ ở một trong hai trạng thái có thể có của nó. Xác suất tương đối của hai kết quả phụ thuộc vào trạng thái chồng chất trước khi đo. “
Để đo trạng thái qubit, trước tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng tia laser để làm mát và bẫy khoảng 160 nguyên tử trong mạng ba chiều với các trục X, Y và Z. Ban đầu, các laser bẫy tất cả các nguyên tử giống hệt nhau, bất kể trạng thái lượng tử của chúng. Sau đó, các nhà nghiên cứu xoay sự phân cực của một trong các chùm tia laser tạo ra mạng X, giúp dịch chuyển các nguyên tử ở trạng thái một qubit sang trái và các nguyên tử ở trạng thái qubit khác sang phải. Nếu một nguyên tử bắt đầu trong sự chồng chất của hai trạng thái qubit, thì nó kết thúc trong sự chồng chất của việc di chuyển sang bên trái và di chuyển sang bên phải. Sau đó, họ chuyển sang một mạng X với khoảng cách mạng tinh thể nhỏ hơn, bẫy chặt các nguyên tử trong vị trí chồng chất mới của chúng về các vị trí thay đổi. Khi ánh sáng bị tán xạ từ mỗi nguyên tử để quan sát vị trí của nó, mỗi nguyên tử được tìm thấy dịch chuyển sang trái hoặc dịch chuyển sang phải, với một xác suất phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của nó. Phép đo vị trí của mỗi nguyên tử tương đương với phép đo trạng thái qubit ban đầu của mỗi nguyên tử.
“Ánh xạ các trạng thái nội bộ vào các vị trí không gian đi một chặng đường dài hướng tới việc biến điều này thành một phép đo lý tưởng”, Weiss nói. “Một ưu điểm khác của phương pháp của chúng tôi là các phép đo không gây ra sự mất mát của bất kỳ nguyên tử nào chúng tôi đang đo, đây là một yếu tố hạn chế trong nhiều phương pháp trước đây.”
Nhóm nghiên cứu đã xác định độ chính xác của phương pháp mới của họ bằng cách tải các mạng của họ bằng các nguyên tử ở một hoặc một trong các trạng thái qubit khác và thực hiện phép đo. Họ có thể đo chính xác các trạng thái nguyên tử với độ chính xác 0,9994, nghĩa là chỉ có 6 lỗi trong 10.000 phép đo, cải thiện hai mươi lần so với các phương pháp trước đó. Ngoài ra, tỷ lệ lỗi không bị ảnh hưởng bởi số lượng qubit mà nhóm đo được trong mỗi thí nghiệm và vì không mất nguyên tử, các nguyên tử có thể được sử dụng lại trong máy tính lượng tử để thực hiện phép tính tiếp theo.
“Phương pháp của chúng tôi tương tự như thí nghiệm Stern-Gerlach từ năm 1922 – một thí nghiệm không thể thiếu trong lịch sử vật lý lượng tử”, Weiss nói. “Trong thí nghiệm, một chùm nguyên tử bạc được truyền qua một dải từ trường với các cực bắc của chúng thẳng hàng với độ dốc. Khi Stern và Gerlach nhìn thấy một nửa các nguyên tử lệch lên và xuống một nửa, nó đã xác nhận ý tưởng về sự chồng chất lượng tử, một Trong thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi cũng ánh xạ các trạng thái lượng tử bên trong của các nguyên tử lên các vị trí, nhưng chúng tôi có thể thực hiện nó trên nguyên tử bằng cơ sở nguyên tử. Tất nhiên, chúng tôi không cần kiểm tra khía cạnh này của cơ học lượng tử , chúng ta chỉ có thể sử dụng nó. “
Ngoài Weiss, nhóm nghiên cứu tại bang Pennsylvania còn có Tsung-Yao Wu, Aishwarya Kumar và Felipe Giraldo. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi bang Pennsylvania . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :