Các nhà khoa học tại Đại học Stuttgart, Đức, đã lập ba kỷ lục quốc tế với một dạng nguyên tử đặc biệt, mở ra khả năng xây dựng các hệ thống mô phỏng lượng tử mạnh hơn và tiến tới những máy tính lượng tử có thể thực hiện phép tính lâu hơn, ít lỗi hơn.
Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Vật lý số 5 của Đại học Stuttgart lập kỷ lục về thời gian tồn tại, kích thước và thời gian lưu giữ của các nguyên tử Rydberg hình tròn. Kết quả được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Nguyên tử Rydberg là nguyên tử có electron bị kích thích lên mức năng lượng rất cao, khiến nó phình to hơn nguyên tử thông thường hàng nghìn lần. Nhờ đó, các nguyên tử có thể tương tác với nhau ở khoảng cách lớn hơn rất nhiều so với thông thường, một đặc tính quan trọng đối với công nghệ máy tính lượng tử sử dụng nguyên tử trung hòa.
“Thách thức lớn trong việc phát triển các hệ thống mô phỏng lượng tử hiệu năng cao là nguyên tử Rydberg rất nhạy cảm và chỉ ổn định trong thời gian ngắn. Chúng tôi đã vượt qua thách thức này và tăng độ ổn định của nguyên tử lên 20 lần,” giáo sư Tilman Pfau, người đứng đầu Viện Vật lý số 5, cho biết.
Những nguyên tử khổng lồ có gì đặc biệt?
Ở nguyên tử Rydberg, electron nằm ở trạng thái kích thích rất cao, cách xa hạt nhân. Điều này khiến nguyên tử lớn hơn bình thường hàng nghìn lần.
Kích thước lớn giúp các nguyên tử tương tác với nhau ở khoảng cách khoảng 5 micromet, tương đương một phần mười đường kính sợi tóc người. Trong thế giới nguyên tử, đây là một khoảng cách rất lớn.
Nhóm Stuttgart nghiên cứu một dạng đặc biệt gọi là nguyên tử Rydberg hình tròn, trong đó electron chuyển động quanh hạt nhân theo một quỹ đạo gần dạng tròn. Đường kính quỹ đạo electron đạt khoảng 1,1 micromet, lớn hơn khoảng 10.000 lần so với ở nguyên tử thông thường.
“Chúng tôi đồng thời lập ba kỷ lục quốc tế: thời gian tồn tại dài nhất từng được đo đối với một nguyên tử Rydberg riêng lẻ, nguyên tử Rydberg hình tròn có kích thước lớn nhất được kiểm soát và thời gian lưu giữ lâu nhất đối với loại nguyên tử này trong bẫy laser,” tiến sĩ Florian Meinert, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết.
Quan trọng nhất là kéo dài thời gian ổn định
Một trong những vấn đề lớn khi sử dụng nguyên tử Rydberg cho công nghệ lượng tử là chúng rất dễ bị môi trường xung quanh tác động. Nếu trạng thái của nguyên tử thay đổi quá nhanh, thông tin lượng tử cũng dễ bị mất.
Trong thí nghiệm mới, trạng thái đặc biệt của nguyên tử duy trì được 11 mili giây, dài hơn 20 lần so với các trạng thái tương tự khi không có biện pháp bảo vệ.
Ở một phép đo khác, nhóm nghiên cứu dùng tia laser để giữ các nguyên tử tại chỗ trong 133 mili giây, cũng là một kỷ lục mới. Hai con số này đo hai đặc tính khác nhau: một là thời gian trạng thái của nguyên tử duy trì ổn định, hai là thời gian nguyên tử có thể được giữ trong bẫy laser.
Theo nhóm nghiên cứu, thời gian ổn định lâu hơn có thể giúp hệ thống thực hiện nhiều phép tính hơn và kiểm soát các nguyên tử chính xác hơn.
Đáng chú ý, các kỷ lục này được thiết lập ở nhiệt độ phòng, không cần làm lạnh bằng helium lỏng như trong những thí nghiệm trước đây.
Chặn bức xạ thay vì làm lạnh
Ngay cả ở nhiệt độ phòng, môi trường xung quanh cũng gây nhiễu cho các nguyên tử nhạy cảm. Các bề mặt xung quanh liên tục phát ra bức xạ nhiệt, trong đó có vi sóng, có thể làm thay đổi trạng thái của nguyên tử Rydberg.
Trước đây, một cách để hạn chế tác động này là làm lạnh hệ thống bằng những thiết bị phức tạp. Nhóm Stuttgart chọn cách khác: che chắn nguyên tử khỏi bức xạ gây nhiễu.
Các nhà nghiên cứu đặt nguyên tử giữa hai tấm dẫn điện trong suốt, giúp ngăn phần lớn vi sóng gây nhiễu tiếp cận nguyên tử. Phương pháp này dựa trên một ý tưởng vật lý đã được nghiên cứu từ những năm 1980 nhưng được nhóm cải tiến để phù hợp với các hệ thống lượng tử hiện đại.
Nhờ vậy, nhóm có thể tạo ra những nguyên tử Rydberg có thời gian tồn tại rất dài ngay ở nhiệt độ phòng, thay vì phải sử dụng hệ thống làm lạnh tốn kém.
Thêm thời gian để máy tính lượng tử hoạt động
Các nguyên tử trung hòa được giữ bằng tia laser đang là một trong những hướng được quan tâm để xây dựng hệ thống mô phỏng lượng tử có thể mở rộng lên quy mô lớn hơn.
Với nguyên tử Rydberg, vấn đề quan trọng là thời gian ổn định càng dài thì các nhà khoa học càng có nhiều thời gian để điều khiển và thực hiện phép tính trước khi thông tin lượng tử bị mất.
Do đó, việc kéo dài thời gian tồn tại của nguyên tử có thể giúp máy tính lượng tử thực hiện các phép tính lâu hơn và giảm nguy cơ sai sót. Tuy nhiên, những kết quả mới chưa đồng nghĩa với việc nhóm nghiên cứu đã tạo ra một máy tính lượng tử hoàn chỉnh. Đây là bước tiến ở cấp độ nền tảng công nghệ, nhằm giải quyết một trong những hạn chế quan trọng của máy tính lượng tử dựa trên nguyên tử.
Đại học Stuttgart hiện có một nền tảng thí nghiệm về nguyên tử Rydberg hình tròn mà trường mô tả là độc nhất trên thế giới. Nhóm nghiên cứu dự định sử dụng nền tảng này để phát triển máy tính lượng tử, hệ thống mô phỏng lượng tử và các cảm biến lượng tử có độ chính xác cao.
Florian Meinert bên cạnh hệ thống thí nghiệm trên bàn quang học. Thiết bị giúp giảm bức xạ vật đen gây nhiễu, cho phép tạo ra các nguyên tử khổng lồ có thời gian tồn tại cực dài ở nhiệt độ phòng. Ảnh: Đại học Stuttgart
Minh họa các nguyên tử Rydberg hình tròn. Các nguyên tử có thể được giữ và sắp xếp chính xác thành những mảng nguyên tử được kiểm soát bằng nhíp quang học, thể hiện bằng màu xanh. Ảnh: Đại học Stuttgart
