Nhìn vào thế giới lượng tử pot

143 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay Nhìn vào th gii lưng t Tác giả Barry Sanders giải thích làm thế nào các mô hình động tiên tiến đang kế tục vai trò của các thí nghiệm Gedanke cơ lượng tử cổ điển để giúp hình dung ra sự phức tạp và những thách thức của nền công nghệ lượng tử mới. S thích ca tôi trong vic mưng tưng khoa hc bt u khi tôi còn là mt sinh viên chưa tt nghip ti trưng i hc Calgary và ln u tiên xem b phim “Sc mnh ca s 10”. B phim bt u và kt thúc vi hình nh mt ngưi àn ông ang ng ti mt bui dã ngoi. Trong phn chính ca phim, chúng ta i t bui dã ngoi n nhng phm vi bao la ca không gian, làm thay i quy mô khong cách bi nhng bưc nhy ca sc mnh ca s 10. Sau khi t ti kích thưc ca vũ tr quan sát ưc,  10 24 m, tm nhìn thu nh tr li vi k dã ngoi và i vào tay anh ta, cui cùng gim xung ti cp  ca mt ht nhân nguyên t carbon,  kích thưc 10 –16 m. Câu chuyện bo mạch chủ của máy tính tương lai với một chip lượng tử tích hợp vào một mạch tích hợp chun. Các cnh ca b phim ã khc sâu vào tâm trí tôi thành nhng k nim sâu sc. Nh li khi ó, tôi ã suy nghĩ v c  ln trong t nhiên hàng tun sau ó. i vi tôi, b phim sng ng 144 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay không th nào quên này ã làm sáng t sc mnh ca s hình dung trong vic truyn ti các khái nim khoa hc tru tưng. Phiên bản được nêu ra sau cùng của bo mạch chủ trong “Câu chuyện bo mạch”. S hình dung trong vt lí hc ã có truyn thng lâu i, nht là ng dng ca nó vào vt lí hc lưng t. Vào u th k 20, các nhà tiên phong ca cơ hc lưng t ã phi i u vi vic thm chí là gii thích nghiên cu ca h cho các ng nghip và thuyt phc h v giá tr ca nó. Các khái nim lưng t tht l lm và d gây bàn cãi, ã làm dy lên nhng cuc tranh lun sôi ni gia nhng ngưi ng h Niels Bohr và Albert Einstein. S hình dung khoa hc,  dng thc tưng tưng hoc các thí nghim “Gedanken”, hóa ra gi vai trò quan trng trong vic thúc Ny nn vt lí lưng t n ch trưng thành như minh ha bi câu chuyn bi hài ht sc thuyt phc ca Erwin Schrödinger v con mèo trong cái hp. “Kính hin vi” ca Werner Heisenberg là mt thí d ni ting khác. “Kính hin vi” ca Heisenberg ln u tiên nêu ra trong bài báo tn năm 1927 (Z. Phys. 43 172), nhm gii thích nguyên lí bt nh mang tên ông. Heisenberg xét cơ cu rt ơn gin ca mt kính hin vi tia gamma có th dò ra v trí chính xác ca mt electron, vi cái giá bù li là làm nhiu xung lưng ca nó. Mc dù không th thc hin trên thc t, nhưng vic chn mt kính hin vi tia gamma là hp lí vì ch mt trưng in t bưc sóng ngn mi có th phân gii chuyn ng in t bên trong nguyên t. 145 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay Các hình động ngắn lượng tử Cách ây 5 năm, tôi ã tr li Calgary  thành lp mt nhóm thông tin lưng t mi trong khoa vt lí và thiên văn hc  b sung cho nhóm in toán lưng t hin có trong khoa khoa hc máy tính. Ngay u tin trình, nhóm ca tôi ã bt u thu hút s chú ý ca ông o cng ng i hc và ca các cơ quan tài tr quan tâm n khoa hc và công ngh thông tin lưng t. Các ng nghip ca tôi và tôi ã i mt vi thách thc lâu nay ca vic truyn ti các thành phn cơ bn ca vt lí lưng t n ông o khán thính gi hơn. ưc truyn cm hng bi giá tr ca phương pháp Gedanken  gii thích các khái nim khó, và b mê hoc bi sc mnh ang phát trin nhanh chóng ca hình ng, chúng tôi bt u tin rng mt kt hp ca c hai s là phương pháp tt nht  gii thích bn cht ca nhng nhim v mang tính thách thc nht trong ngành thông tin lưng t. Tôi bt u kim nghim phương pháp này vi s h tr ca các sinh viên ca mình. Hình ng th nht, thc hin trong s hp tác vi ngưi tr lí ca tôi lúc y, Rolf Horn, liên quan n s truyn thông lưng t. Chúng tôi chn thc hin mt hình ng ca s truyn thông ni ting ca trng thái phân cc ca mt photon c thân n mt photon khác, như ã trình din hi năm 1997 bi Anton Zeilinger và các ng s ti trưng i hc Innsbruck  Áo. Các thí nghim Innsbruck ưc tưng thut rng rãi bi các phương tin truyn thông, và mt hình ng gii thích giao thc ni ting này và s hin thc hóa thc nghim ca nó có v như là mt cơ hi tt  th phương pháp mi này i vi s hình dung ca các công ngh thông tin lưng t. Trưc tiên, chúng tôi phát trin các phiên bn “nghip dư” ca hình ng, sau ó chúng tôi trình din vi các nhà làm hot hình chuyên nghip  tìm s hp tác có th có. S hp tác u tiên như vy ã xut hin vào năm 2003. Sau vài năm sáng to các phim thông tin lưng t ng, ch u tư ca tôi cui cùng ã cho phép tôi thu ưc s ng h tài chính quan trng cho mt hình ng in toán lưng t tân tin. in toán lưng t là mt n lc hc thut ang phát trin nhanh chóng dành cho vic phát trin các máy tính s có th gii quyt các nhim v nm ngoài tm vi ca các máy tính c in, như phân tích ra tha s nhng con s cc ln. Tin cưc tht cao và kt qu rt ha hn, nên vic tìm tài tr không khó khăn như trong các lĩnh vc khoa hc khác. Vi s h tr ca các nhà nghiên cu Andrew Greentree, Lloyd Hollenberg và Ashley Stephens n t trưng i hc Melbourne  Australia và Austin Fowler thuc trưng i hc Waterloo  Canada, cng vi tài năng khéo léo ca các nhà làm hot hình chuyên nghip Andrew và Darran Edmundson thuc EDM Studio Inc. và chuyên gia audio Tim Kreger, chúng tôi ã to ra ưc hình ng bn phút mang ta  “Máy tính lưng t bán dn  silicon” vào tháng 2/2007. 146 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Máy tính lượng tử: phim động Trong khi sn xut hình ng, chúng tôi ã phng theo phương pháp “Sc mnh ca s 10” ca vic phóng to và thu nh  trình bày mt máy tính  nhng cp  khác nhau. Chúng tôi mun làm sáng t mt máy tính như vy s trông như th nào i vi ngưi dùng ca nó và các thành phn ca máy tính s xut hin như th nào nu tách riêng nó ra. Chúng tôi s dng mt máy tính lai cu to t các b phn lưng t và c in bng cách ưa mt “chip lưng t” vào trong “chip c in”. Chúng tôi thn trng th hin các phc hp lưng t như in t hc phc tp cn thit cho vic iu khin chip lưng t cng vi các bit lưng t (hay qubit) và chính các cng lưng t. Phương pháp a cp  s dng zoom  ch ra mi tương quan gia nhng khái nim này. Hình mô t mt nguyên t phôtpho nhúng trong mt mng tinh th silicon vi mt ám mây electron xung quanh. Hình bên trái: phiên bn ca i khoa hc. Hình bên phi: phiên bn thc. Vic sáng to mt s hình dung cho khoa hc hay công ngh òi hi làm ch s cân bng mong manh gia  chính xác khoa hc và yêu cu thNm mĩ. Tht vy, thương lưng gia các nhà khoa hc và nhng ngưi làm hot hình có th mt nhiu thi gian và tn kém hơn so vi bn thân quá trình lp hình ng. Toàn b i phi tho lun và nht trí v các biu trưng th giác và nh thi gian trưc khi các hình ng cht lưng chuyên nghip ưc thc hin, nu không thì các hình ng áng giá và tiêu tn thi gian s b bác b. Trong ngành khoa hc thông tin lưng t, qubit là thành phn lôgic cơ bn và tương t như bit, hay bit nh phân, ca các máy tính c in. S khác bit là mt bit ch có th nhn giá tr 0 và 1, còn mt qubit có th nhn trng thái lôgic 0, trng thái lôgic 1, hay bt kì s chng cht nào ca hai trng thái ó. V phương din vt lí, qubit có th xem là mt ht spin 1/2 như mt electron, vi mt trng thái up và mt trng thái down. 147 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay Mt trong nhng thách thc mà chúng tôi i mt liên quan n vic mô t qubit “thc” và môi trưng ca nó ng thi th hin trng thái lôgic lưng t ca nó. Chúng tôi ã chn biu din qubit là mt im trên mt hình cu, ó là tiêu chuNn trong ngành thông tin lưng t. Trng thái lôgic 0 ng vi cc bc và trng thái lôgic 1 ng vi cc nam, vi mi im khác trên hình cNu biu din mt s chng cht ca các “trng thái cc” này. i vi loi máy tính lưng t silicon trong hình ng ca chúng tôi, s hin thc hóa vt lí ca qubit là spin ca electron ngoài cùng ca mt nguyên t phôtpho-31 nhúng trong khi môi trưng silicon-28.  làm cho qubit và trng thái lưng t ca nó có ý nghĩa, chúng tôi cn phi th hin ng thi electron trong môi trưng và trng thái ca spin electron. Hình ng phóng to vào môi trưng khi cht và th hin cu trúc mng silicon cng vi mt nguyên t phôtpho nhúng trong môi trưng. Nguyên t phôtpho-31 trông ging như mt mt tri trong thiên hà kiu mng ca silicon-28.  th hin electron ca nguyên t phôtpho, chúng tôi s dng miêu t chuNn ca các qu o electron là nhng ám mây. ám mây ó khá ln và tri rng trên cu trúc mng silicon theo mi hưng. Tương tác gia ám mây electron và mng silicon mang li các vân giao thoa trong cu trúc mây. Phiên bản được nêu ra sau cùng của hình ảnh trong “hững cái nhìn khác”. 148 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Vic mô t s giam thoa mây v cơ bn là do tm quan trng ca s chng ln gia mt  electron và ht nhân. T trưng phân ra khp máy tính lưng t nên vic iu khin cá l trng thái spin lưng t, óng vai trò qubit, yêu cu s tin ng ca mt electron ca nguyên t còn các electron khác thì không i. S iu khin trc tip này ch có th thc hin bng cách to ra in trưng cc b thông qua các bn kim loi trên b mt lân cn ca chip silicon. in trưng làm bóp méo ám mây electron, như chúng tôi ã th hin trong hình ng ca mình, và s bin dng làm bin i s chng cht ca ám mây electron vi ht nhân nguyên t. S hình dung ra ám mây electtron và s bin dng ca nó giúp ngưi xem hiu ưc làm th nào có th iu khin ưc tng spin electron cá l. ám mây electron chuyn ti ti ngưi xem s phân b v trí ca electron quay xung quanh phôtpho-31, nhưng trng thái spin cũng phi ưc th hin tt: các khía cnh thông tin lưng t phi ưc miêu t ng hành vi vt lí hc. Như ã trình bày  phn trưc, trng thái spin có th biu din bng mt im trên mt hình cu. Chúng tôi làm như vy bng cách t mt vt kiu hành tinh  gn “mt tri” phôtpho th hin trng thái spin ca nó. Qubit ó ưc to ra và iu khin bng cách thit t c t trưng toàn cu và in trưng cc b. Chúng tôi th hin in trưng là các ưng m nht tri rng trong môi trưng cht rn và miêu t s tin ng ca trng thái spin ca electron trên hành tinh là mt phn ng vi vic thit t ca nhng t trưng này. in trưng ưc dùng  làm bin i “s phân tách siêu tinh t” ca mt nguyên t sao cho qubit spin in t ca nó có th x lí riêng l. ng thi, chúng tôi th hin in trưng là nhng ưng màu xanh un cong phát ra t nhng cu trúc kim loi nh trên b mt. in trưng ó làm cho ám mây electron thay i hình dng, và s thay i hình dng này làm bin i s chng cht ca ám mây vi ht nhân phôtpho-31, do ó làm bin i s phân tách siêu tinh t. S tin ng ca spin electron tht phc tp bi s có mt ca c t trưng và in trưng, và chúng tôi miêu t s phc tp này bng cách th hin qu o ca im biu din spin qubit trên “qu cu hành tinh”. iu khin qubit ch là mt bưc trong in toán lưng t. Trong hình ng, chúng tôi th hin hai qubit và áp dng mt cng not iu khin ưc, hay cng or loi tr, cho các qubit, c ra các qubit này, và cách thc cng not iu khin ưc ưc thc hin bi 28 qubit trên mt chui 45 bưc, trong mt cnh tôi gi là “iu vũ hiu chnh sai s lưng t”. Trong tng bưc, chúng tôi phi ưa ra các quyt nh v cách thc kt hp các thc th vt lí và thc th thông tin theo mt cách va thNm mĩ va có ý nghĩa. Sức mạnh của sự hình dung Vic hình dung ra kin thc khoa hc tht chng d dàng gì hay r tin, nhưng nó tht b ích và hu dng. Các phim ng là nhng công c có giá tr ln i vi vic gii thích nhng khái nim khó, tru tưng, ví d như in toán lưng t, trong lp hc. Tht không may, lúc sn xut 149 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay ra, b phim ca chúng tôi không ưc công b rng rãi, nhưng các on ca nó bây gi có th xem qua mt bài báo trên s tháng 12/2008 ca t ew Journal of Physics (10 125005), và nó ang ưc s dng bi các i tác Trung tâm Công ngh Máy tính Lưng t Australia, c trong lp dy ca tôi  Calgary. B phim cũng có mt là mt phn ca khóa hc hè v thông tin lưng t, trong ó có Khóa Hè Thông tin Lưng t Canada Ln th 8  Montreal năm 2008, và Khóa Hè Quc t v X lí và iu khin Thông tin lưng t ti trưng i hc quc gia Ireland, Maynooth, năm 2007. B phim ng này cũng là mt thí d ca cách thc s dng s hình dung trong tương lai  giúp miêu t có hiu qu các khái nim khoa hc phc tp và các công ngh phc tp ang xut hin. Barry Sanders (Giám c Vin Khoa hc Thông tin Lưng t, i hc Calgary, Canada) Ngun: Seeing the quantum world (Physics World, tháng 12/2008) hiepkhachquay dch An Minh, ngày 06/12/2008 . hiepkhachquay Nhìn vào th gii lưng t Tác giả Barry Sanders giải thích làm thế nào các mô hình động tiên tiến đang kế tục vai trò của các thí nghiệm Gedanke cơ lượng tử cổ điển để giúp. chuyện bo mạch chủ của máy tính tương lai với một chip lượng tử tích hợp vào một mạch tích hợp chun. Các cnh ca b phim ã khc sâu vào tâm trí tôi thành nhng k nim sâu sc. Nh li khi. mang ta  “Máy tính lưng t bán dn  silicon” vào tháng 2/2007. 146 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Máy tính lượng tử: phim động Trong khi sn xut hình ng, chúng