Trí tuệ nhân tạo (AI) đã giúp các nhà vật lý khám phá ra một phương pháp đơn giản hơn để đạt được rối lượng tử (quantum entanglement), một phát hiện có thể giúp phát triển các công nghệ truyền thông lượng tử dễ dàng hơn.
Khi các hạt hạ nguyên tử như photon trở nên vướng víu hay rối, chúng có thể chia sẻ các thuộc tính lượng tử — bao gồm cả thông tin — bất kể khoảng cách giữa chúng. Cụ thể hơn, rối lượng tử là một hiện tượng trong cơ học lượng tử, trong đó hai hoặc nhiều hạt có thể liên kết chặt chẽ với nhau theo cách mà trạng thái của một hạt sẽ ngay lập tức ảnh hưởng đến trạng thái của hạt kia, bất kể khoảng cách giữa chúng xa đến đâu. Hiện tượng này đóng vai trò quan trọng trong vật lý lượng tử và là một trong những yếu tố khiến máy tính lượng tử trở nên mạnh mẽ.
Tuy nhiên, việc tạo ra rối lượng tử thường là một thách thức đối với các nhà khoa học. Điều này đòi hỏi phải chuẩn bị hai cặp photon vướng víu/rối riêng biệt, sau đó đo cường độ rối— được gọi là phép đo trạng thái Bell — trên một photon từ mỗi cặp.
Những phép đo này khiến hệ lượng tử sụp đổ và để lại hai photon chưa được đo trở nên vướng víu với nhau, mặc dù chúng chưa bao giờ tương tác trực tiếp với nhau. Quá trình này, được gọi là “hoán đổi vướng víu”, có thể được sử dụng trong dịch chuyển lượng tử (quantum teleportation).
Đột phá nhờ AI trong nghiên cứu lượng tử
Trong một nghiên cứu mới, được công bố vào tháng 12-2024 trên tạp chí Physical Review Letters, các nhà khoa học đã sử dụng PyTheus, một công cụ AI được thiết kế chuyên biệt cho các thí nghiệm quang học lượng tử. Ban đầu, nhóm nghiên cứu muốn tái tạo các giao thức đã có trước về hoán đổi vướng víu trong truyền thông lượng tử. Tuy nhiên, công cụ AI liên tục đưa ra một phương pháp đơn giản hơn nhiều để tạo vướng víu photon.
“Các tác giả đã huấn luyện một mạng nơ-ron với tập dữ liệu phức tạp mô tả cách thiết lập loại thí nghiệm này trong nhiều điều kiện khác nhau, và mạng lưới thực sự học được bản chất vật lý đằng sau nó,” Sofia Vallecorsa, một nhà vật lý nghiên cứu thuộc sáng kiến công nghệ lượng tử tại CERN (không tham gia nghiên cứu này), chia sẻ với Live Science.
Tận dụng AI để đơn giản hóa rối lượng tử
Công cụ AI đề xuất rằng rối lượng tử có thể xuất hiện do đường đi của các photon không thể phân biệt được: khi có nhiều nguồn photon khả dĩ, và nếu nguồn gốc của chúng trở nên không thể phân biệt được với nhau, thì rối lượng tử có thể được tạo ra giữa chúng.
Ban đầu, các nhà khoa học hoài nghi về kết quả này, nhưng công cụ AI liên tục đưa ra cùng một giải pháp. Do đó, họ quyết định kiểm chứng lý thuyết. Bằng cách điều chỉnh các nguồn photon và đảm bảo chúng không thể phân biệt được, các nhà vật lý đã tạo ra điều kiện mà trong đó, khi phát hiện photon ở một số đường đi nhất định, hai photon khác chắc chắn sẽ trở nên vướng víu.
Đột phá này đã đơn giản hóa quá trình tạo rối lượng tử. Trong tương lai, nó có thể có tác động đến mạng lượng tử dùng cho nhắn tin bảo mật, giúp các công nghệ này trở nên khả thi hơn.
“Công nghệ càng đơn giản, phạm vi ứng dụng càng mở rộng,” Vallecorsa nhận định. “Khả năng xây dựng các mạng phức tạp hơn với nhiều cấu trúc khác nhau có thể tạo ra ảnh hưởng lớn so với các hệ thống truyền thống chỉ có kết nối trực tiếp giữa hai điểm.”
Tuy nhiên, liệu công nghệ này có thể mở rộng để trở thành một quy trình thương mại khả thi hay không vẫn còn là một câu hỏi. Nhiễu môi trường và những sai số trong thiết bị có thể gây bất ổn cho hệ lượng tử.
AI mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu vật lý
Nghiên cứu này cũng là một minh chứng thuyết phục cho tiềm năng của AI như một công cụ hỗ trợ các nhà vật lý.
“Chúng tôi đang tìm cách tích hợp AI nhiều hơn vào nghiên cứu, nhưng vẫn còn một chút hoài nghi, chủ yếu là về vai trò của nhà vật lý sẽ thay đổi ra sao khi chúng ta tiến xa hơn theo hướng này,” Vallecorsa nói. “Tuy nhiên, đây là một cơ hội để đạt được những kết quả thú vị, và nghiên cứu này đã cho thấy một cách rõ ràng AI có thể trở thành một công cụ hữu ích cho các nhà vật lý.”
Ảnh minh họa về rối lượng tử khi hai photon trở nên vướng víu. Ảnh: Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển.
