Đột phá của IBM: Biến hạt nguyên tử titan thành những vũ công tí hon

Có người so sánh đột phá này giống như người Trung Hoa cổ đại phát minh ra "máy tính bảng".

IBM Research vừa công bố một đột phá mới trong công nghệ nano, cho phép các nhà nghiên cứu đặt vị trí từng nguyên tử đơn lẻ, rồi điều khiển các đặc tính lượng tử của chúng. Đây có tiềm năng trở thành nền móng để xây dựng một cỗ máy tính lượng tử hiệu quả, và bên cạnh đó, bạn có thể tưởng tượng ra sức mạnh phi phàm con người có được khi ta điều khiển được nguyên tử.

Đột phá mới của IBM cho phép các nhà nghiên cứu đặt vị trí từng nguyên tử đơn lẻ, rồi điều khiển các đặc tính lượng tử của chúng.

Đội ngũ nghiên cứu phát triển cách thức điều khiển hạt này để xây dựng một hệ thống giả lập máy tính lượng tử. Máy tính cổ điển - như thứ bạn vẫn dùng để lướt web, chơi điện tử - chỉ dùng “0” và “1” để mô tả dữ liệu, trong khi đó máy tính lượng tử có thêm một trạng thái nữa có tên “trạng thái chồng - superposition”, cho phép dữ liệu tồn tại được ở cả dạng “1” và “0”, chỉ đưa ra kết quả cuối khi được đo đạc.

IBM Research tạo ra phương thức giả lập trạng thái chồng bằng cách khiến nguyên tử titan tạo ra từ tính, một đặc tính tương tự với trạng thái chồng. Về cơ bản, họ sử dụng một công cụ đặc biệt có tên Kính hiển vi Quét Đường hầm (STM) có một đầu nhỏ như đầu kim, dùng để đẩy nguyên tử tới lui trong không gian nghiên cứu.

Theo những gì IBM “khoe” trên blog:

"Trong thử nghiệm, chúng tôi đã sử dụng đặc tính lượng tử của nguyên tử titan, gọi là “dạng xoay - spin”, để mô tả một qubit. Việc nguyên tử xoay sẽ khiến nó mang từ tính, và có đặc điểm tương tự một cái kim la bàn nhỏ. Như nam châm đính trên tủ lạnh vậy, nguyên tử titan cũng có cực Bắc và cực Nam. Hai cực này mô tả hai trạng thái “0” và “1” của một qubit. Chúng tôi đặc nguyên tử titan vào một mặt phẳng đặc biệt - một lớp magie ô-xít siêu mỏng, để bảo vệ từ tính của titan và cho phép nó thể hiện đặc tính lượng tử của mình".

Hệ thống STM từng giành giải Nobel của IBM.

Hóa ra nguyên tử titan thú vị hơn ta tưởng. Các nhà nghiên cứu sử dụng từng đợt vi sóng ngắn để điều hướng, đặt vị trí các nguyên tử titan. Những đợt vi sóng này toát ra từ đầu kim của STM, ép nguyên tử phải xoay theo chiều nhất định, cứ như đầu kim đang “dạy” nguyên tử titan cách múa trên một sân khấu làm bằng magie ô-xít vậy.

Bằng kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu giả lập được trạng thái rối lượng tử trong một hệ thống máy tính lượng tử mạnh 2 qubit.

Bên cạnh đột phá lớn trong ngành lượng tử (bằng cách dạy nguyên tử múa ba-lê), nghiên cứu này còn là một bước tiến lớn trong ngành máy tính lượng tử. Mặc dù gần đây đã xuất hiện nhiều đột phá liên quan tới ngành máy tính lượng tử, chúng ta vẫn đang trong giai đoạn “tiền bảng tính” (cái bảng tính của Trung Hoa cổ đại ấy), khi các nhà vật lý học vẫn nghiên cứu theo kiểu “xôi thịt”, không có một nền móng hậu thuẫn chắc chắn mà liên tục thử nghiệm với hạt và tia laser.

Có những ý kiến cho rằng đột phá của IBM cũng tương đương với việc phát minh bảng tính, mở ra cho ta một phương pháp nghiên cứu và xây dựng máy tính lượng tử mới.

Biến những hạt nguyên tử thành các vũ công, nghe mà đầu văng vẳng bài hát Tiny Dancer của Elton John.

Từ khóa liên quan:

IBM Research

công nghệ nano

điều khiển được nguyên tử

Kính hiển vi Quét Đường hầm

kính STM

Hệ thống STM

rạng thái chồng

superposition