Công nghệ nano hiện nay - Thông cáo báo chí: Lần đầu tiên các nhà vật lý 'làm vướng víu' các phân tử riêng lẻ, tăng tốc khả năng xử lý thông tin lượng tử: Trong công việc có thể dẫn đến tính toán lượng tử mạnh mẽ hơn, các nhà nghiên cứu của Princeton đã thành công trong việc buộc các phân tử vào sự vướng víu lượng tử

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Trang Chủ > Ấn Bản > Các nhà vật lý lần đầu tiên 'làm vướng víu' các phân tử riêng lẻ, đẩy nhanh khả năng xử lý thông tin lượng tử: Trong nghiên cứu có thể dẫn đến tính toán lượng tử mạnh mẽ hơn, các nhà nghiên cứu của Princeton đã thành công trong việc buộc các phân tử rơi vào tình trạng vướng víu lượng tử

Laser setup for cooling, controlling, and entangling individual molecules.

TÍN DỤNG
Ảnh của Richard Soden, Khoa Vật lý, Đại học Princeton

Tóm tắt:
Lần đầu tiên, một nhóm các nhà vật lý Princeton đã có thể liên kết các phân tử riêng lẻ lại với nhau thành các trạng thái đặc biệt “bị vướng víu” về mặt cơ học lượng tử. Ở những trạng thái kỳ lạ này, các phân tử vẫn tương quan với nhau—và có thể tương tác đồng thời—ngay cả khi chúng ở cách xa nhau hàng dặm, hoặc thậm chí, ngay cả khi chúng chiếm giữ các đầu đối diện của vũ trụ. Nghiên cứu này gần đây đã được công bố trên tạp chí Khoa học.

Các nhà vật lý lần đầu tiên 'làm vướng víu' các phân tử riêng lẻ, đẩy nhanh khả năng xử lý thông tin lượng tử: Trong nghiên cứu có thể dẫn đến tính toán lượng tử mạnh mẽ hơn, các nhà nghiên cứu của Princeton đã thành công trong việc buộc các phân tử rơi vào tình trạng vướng víu lượng tử

Princeton, NJ | Đăng vào ngày 8 tháng 2023 năm XNUMX

Lawrence Cheuk, trợ lý giáo sư vật lý tại Đại học Princeton và là tác giả chính của bài báo, cho biết: “Đây là một bước đột phá trong thế giới phân tử vì tầm quan trọng cơ bản của sự vướng víu lượng tử”. “Nhưng nó cũng là một bước đột phá cho các ứng dụng thực tế vì các phân tử vướng víu có thể là nền tảng cho nhiều ứng dụng trong tương lai”.

Ví dụ, chúng bao gồm máy tính lượng tử có thể giải quyết một số vấn đề nhanh hơn nhiều so với máy tính thông thường, máy mô phỏng lượng tử có thể mô hình hóa các vật liệu phức tạp có hành vi khó mô hình hóa và cảm biến lượng tử có thể đo nhanh hơn so với các cảm biến truyền thống.

Connor Holland, một sinh viên tốt nghiệp khoa vật lý, cho biết: “Một trong những động lực khi nghiên cứu khoa học lượng tử là trong thế giới thực tế, hóa ra là nếu bạn khai thác các định luật của cơ học lượng tử, bạn có thể làm tốt hơn rất nhiều trong nhiều lĩnh vực”. và là đồng tác giả của tác phẩm.

Khả năng của các thiết bị lượng tử hoạt động tốt hơn các thiết bị cổ điển được gọi là “lợi thế lượng tử”. Và cốt lõi của lợi thế lượng tử chính là nguyên lý chồng chất và vướng víu lượng tử. Trong khi bit máy tính cổ điển có thể nhận giá trị 0 hoặc 1, thì các bit lượng tử, gọi là qubit, có thể đồng thời ở trạng thái chồng chất của 0 và 1. Khái niệm thứ hai, sự vướng víu, là nền tảng chính của cơ học lượng tử và xảy ra khi hai các hạt trở nên liên kết chặt chẽ với nhau để liên kết này vẫn tồn tại, ngay cả khi một hạt cách hạt kia nhiều năm ánh sáng. Đó là hiện tượng mà Albert Einstein, người lúc đầu đặt câu hỏi về tính xác thực của nó, đã mô tả là “tác dụng ma quái ở khoảng cách xa”. Kể từ đó, các nhà vật lý đã chứng minh rằng sự vướng víu trên thực tế là một mô tả chính xác về thế giới vật chất và cách thực tế được cấu trúc.

Cheuk nói: “Sự vướng víu lượng tử là một khái niệm cơ bản, nhưng nó cũng là thành phần quan trọng mang lại lợi thế lượng tử”.

Nhưng việc xây dựng lợi thế lượng tử và đạt được sự vướng víu lượng tử có thể kiểm soát vẫn là một thách thức, đặc biệt là vì các kỹ sư và nhà khoa học vẫn chưa rõ nền tảng vật lý nào là tốt nhất để tạo ra qubit. Trong những thập kỷ qua, nhiều công nghệ khác nhau – chẳng hạn như các ion bị bẫy, photon, mạch siêu dẫn, chỉ kể tên một số ít – đã được khám phá như những ứng cử viên cho máy tính và thiết bị lượng tử. Hệ thống lượng tử hoặc nền tảng qubit tối ưu có thể phụ thuộc rất nhiều vào ứng dụng cụ thể.

Tuy nhiên, cho đến thí nghiệm này, các phân tử từ lâu đã thách thức sự vướng víu lượng tử có thể kiểm soát được. Nhưng Cheuk và các đồng nghiệp của ông đã tìm ra cách, thông qua thao tác cẩn thận trong phòng thí nghiệm, để kiểm soát từng phân tử riêng lẻ và đưa chúng vào các trạng thái lượng tử lồng vào nhau này. Họ cũng tin rằng các phân tử có những lợi thế nhất định – chẳng hạn như so với các nguyên tử – khiến chúng đặc biệt phù hợp cho một số ứng dụng nhất định trong xử lý thông tin lượng tử và mô phỏng lượng tử của các vật liệu phức tạp. Ví dụ, so với các nguyên tử, các phân tử có nhiều bậc tự do lượng tử hơn và có thể tương tác theo những cách mới.

Yukai Lu, một sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện và máy tính và là đồng tác giả của bài báo, cho biết: “Về mặt thực tế, điều này có nghĩa là có những cách mới để lưu trữ và xử lý thông tin lượng tử”. “Ví dụ, một phân tử có thể dao động và quay theo nhiều chế độ. Vì vậy, bạn có thể sử dụng hai trong số các chế độ này để mã hóa một qubit. Nếu các loại phân tử có cực, hai phân tử có thể tương tác ngay cả khi tách biệt về mặt không gian.”

Tuy nhiên, các phân tử đã được chứng minh là khó kiểm soát trong phòng thí nghiệm vì tính phức tạp của chúng. Chính mức độ tự do khiến chúng trở nên hấp dẫn cũng khiến chúng khó kiểm soát hoặc khó bị vây hãm trong môi trường phòng thí nghiệm.

Cheuk và nhóm của ông đã giải quyết nhiều thách thức này thông qua một thí nghiệm được cân nhắc kỹ lưỡng. Đầu tiên, họ chọn một loại phân tử vừa có cực vừa có thể được làm lạnh bằng tia laser. Sau đó, họ làm lạnh các phân tử bằng laser đến nhiệt độ cực lạnh trong đó cơ học lượng tử chiếm vị trí trung tâm. Sau đó, các phân tử riêng lẻ được nhặt lên bởi một hệ thống phức tạp gồm các chùm tia laser tập trung chặt chẽ, được gọi là “nhíp quang học”. Bằng cách thiết kế các vị trí của nhíp, họ có thể tạo ra các mảng lớn gồm các phân tử đơn lẻ và định vị chúng riêng lẻ thành bất kỳ cấu hình một chiều nào mong muốn. Ví dụ, họ đã tạo ra các cặp phân tử biệt lập và cả các chuỗi phân tử không có khiếm khuyết.

Tiếp theo, họ mã hóa một qubit thành trạng thái không quay và quay của phân tử. Họ đã có thể chứng minh rằng qubit phân tử này vẫn mạch lạc, nghĩa là nó ghi nhớ sự chồng chất của nó. Nói tóm lại, các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng tạo ra các qubit được kiểm soát tốt và mạch lạc từ các phân tử được kiểm soát riêng lẻ.

Để làm vướng víu các phân tử, họ phải làm cho phân tử đó tương tác với nhau. Bằng cách sử dụng một loạt xung vi sóng, họ có thể làm cho các phân tử riêng lẻ tương tác với nhau một cách mạch lạc. Bằng cách cho phép tương tác diễn ra trong một khoảng thời gian chính xác, họ có thể tạo ra một cổng hai qubit làm vướng víu hai phân tử. Điều này rất quan trọng vì một cổng hai qubit vướng víu như vậy là một khối xây dựng cho cả điện toán lượng tử kỹ thuật số phổ quát và mô phỏng các vật liệu phức tạp.

Tiềm năng của nghiên cứu này trong việc nghiên cứu các lĩnh vực khác nhau của khoa học lượng tử là rất lớn, nhờ các tính năng cải tiến được cung cấp bởi nền tảng mảng nhíp phân tử mới này. Đặc biệt, đội Princeton quan tâm đến việc khám phá cơ sở vật lý của nhiều phân tử tương tác, chúng có thể dùng để mô phỏng các hệ lượng tử nhiều vật, trong đó các hành vi mới xuất hiện thú vị như các dạng từ tính mới có thể xuất hiện.

Cheuk cho biết: “Việc sử dụng các phân tử cho khoa học lượng tử là một biên giới mới và việc chứng minh sự vướng víu theo yêu cầu của chúng tôi là một bước quan trọng để chứng minh rằng các phân tử có thể được sử dụng như một nền tảng khả thi cho khoa học lượng tử”.

Trong một bài báo riêng đăng trên cùng số báo Khoa học, một nhóm nghiên cứu độc lập do John Doyle và Kang-Kuen Ni tại Đại học Harvard và Wolfgang Ketterle tại Viện Công nghệ Massachusetts dẫn đầu đã đạt được kết quả tương tự.

Cheuk nói: “Việc họ nhận được kết quả giống nhau đã chứng minh độ tin cậy của kết quả của chúng tôi. “Họ cũng cho thấy rằng các mảng nhíp phân tử đang trở thành một nền tảng mới thú vị cho khoa học lượng tử.”

####

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng bấm vào tại đây

Liên hệ:
Catherine Zandonella
Đại học Princeton
Văn phòng: 609-258-0541
Liên hệ với chuyên gia

Lawrence W. Cheuk
Đại học Princeton
@Princeton

Nếu bạn có một bình luận, xin vui lòng Liên hệ chúng tôi.

Các tổ chức phát hành tin tức, không phải 7th Wave, Inc. hay Nanotech Now, chỉ chịu trách nhiệm về tính chính xác của nội dung.

Bookmark: