Quay trở lại những năm 1920, cơ học lượng tử, lý thuyết làm nền tảng cho mọi thứ từ hoạt động của nguyên tử đến hoạt động của máy tính lượng tử, đang trên đường đạt được sự chấp nhận rộng rãi. Nhưng một bí ẩn vẫn còn đó: đôi khi các vật thể lượng tử, chẳng hạn như electron, nguyên tử và phân tử, hoạt động giống như các hạt, những vật thể khác giống như sóng. Đôi khi chúng thậm chí còn hoạt động giống như các hạt và sóng cùng một lúc. Do đó, khi nghiên cứu các vật thể lượng tử này, không bao giờ rõ ràng các nhà khoa học nên sử dụng phương pháp tiếp cận nào trong tính toán của họ.
Đôi khi các nhà khoa học đã phải giả định rằng các vật thể lượng tử là sóng để có được kết quả chính xác. Trong các trường hợp khác, họ phải giả định rằng các vật thể thực sự là các hạt. Đôi khi cả hai cách tiếp cận đều hiệu quả. Nhưng trong các trường hợp khác, chỉ có một phương pháp tạo ra kết quả chính xác, trong khi phương pháp kia trả về kết quả không có thật. Lịch sử của vấn đề này đã đi qua một chặng đường dài, nhưng các thí nghiệm gần đây đã làm sáng tỏ câu hỏi cũ này.
Lịch sử lượng tử
Trong thí nghiệm khe kép cùng tên, lần đầu tiên được thực hiện bởi Thomas Young vào năm 1801, ánh sáng hoạt động giống như sóng. Trong thí nghiệm này, một chùm tia laze được hướng vào một khe kép, và sau đó hình ảnh thu được sẽ được xem xét. Nếu ánh sáng bao gồm các hạt, người ta sẽ mong đợi hai khối ánh sáng hình khe. Thay vào đó, kết quả là nhiều khối ánh sáng nhỏ được sắp xếp theo kiểu đặc trưng. Đặt một khe kép trong dòng nước sẽ dẫn đến mô hình tương tự ngay bên dưới. Vì vậy, thí nghiệm này đã dẫn đến kết luận rằng ánh sáng là sóng.
Sau đó, vào năm 1881, Heinrich Hertz đã có một khám phá thú vị. Khi anh ta lấy hai điện cực và đặt vào giữa chúng một hiệu điện thế đủ lớn thì xuất hiện tia lửa điện. Điều này là bình thường. Nhưng khi Hertz chiếu ánh sáng vào các điện cực này, điện áp tia lửa điện đã thay đổi. Điều này được giải thích là do ánh sáng đã đánh bật các electron ra khỏi vật liệu điện cực. Nhưng, kỳ lạ thay, tốc độ tối đa của các electron được phóng ra không thay đổi nếu cường độ ánh sáng thay đổi, nhưng thay đổi theo tần số của ánh sáng. Kết quả này sẽ là không thể nếu lý thuyết sóng là đúng. Năm 1905, Albert Einstein đã có một giải pháp: ánh sáng thực sự là một hạt. Tất cả điều này là không đạt yêu cầu. Các nhà khoa học thích một lý thuyết luôn đúng hơn hai lý thuyết đôi khi đúng. Và nếu một lý thuyết chỉ đôi khi đúng, thì ít nhất chúng ta cũng muốn có thể nói nó đúng trong những điều kiện nào.
Nhưng đây chính xác là vấn đề với khám phá này. Các nhà vật lý học không biết khi nào thì coi ánh sáng hay bất kỳ vật thể nào khác là sóng và khi nào là hạt. Họ biết rằng một số thứ gây ra hành vi giống như sóng, chẳng hạn như các cạnh của khe. Nhưng họ không có lời giải thích rõ ràng về lý do tại sao lại như vậy hoặc khi nào thì sử dụng bất kỳ lý thuyết nào.
Câu đố này được gọi là thuyết nhị nguyên sóng cơ, vẫn được bảo tồn. Nhưng một nghiên cứu mới có thể làm sáng tỏ tình hình. Các nhà khoa học từ Viện Khoa học Cơ bản Hàn Quốc đã chỉ ra rằng các đặc tính của nguồn sáng ảnh hưởng đến mức độ nó là một hạt và bao nhiêu nó là một sóng. Với một cách tiếp cận mới để nghiên cứu vấn đề này, họ đã mở ra một con đường thậm chí có thể dẫn đến những cải tiến trong tính toán lượng tử. Hoặc những hy vọng như vậy.
Cũng thú vị: Các bộ xử lý lượng tử của Google đưa thời gian lên tinh thể ngoài lý thuyết
Cách tạo hạt và sóng
Trong thí nghiệm, các nhà khoa học đã sử dụng một chiếc gương bán phản xạ để chia chùm tia laze thành hai phần. Mỗi tia này chiếu vào tinh thể, từ đó tạo ra hai photon. Tổng cộng có bốn photon được phát ra, hai từ mỗi tinh thể.
Các nhà khoa học đã gửi một photon từ mỗi tinh thể vào giao thoa kế. Thiết bị này kết hợp hai nguồn sáng và tạo ra một hình ảnh giao thoa. Mô hình này lần đầu tiên được phát hiện bởi Thomas Young trong thí nghiệm hai khe nói trên của ông. Đây cũng là những gì bạn thấy khi ném hai viên đá vào một cái ao: nước gợn sóng, một số viên tăng cường lẫn nhau và một số viên khác vô hiệu hóa lẫn nhau. Nói cách khác, giao thoa kế phát hiện bản chất sóng của ánh sáng.
Đường đi của hai photon còn lại được sử dụng để xác định các đặc điểm cấu tạo của chúng. Mặc dù các tác giả của bài báo không nói rõ họ đã làm điều này như thế nào, nhưng nó thường được thực hiện bằng cách truyền một photon qua một vật liệu cho thấy photon đã đi đến đâu. Ví dụ, bạn có thể bắn một photon qua một chất khí, sau đó nó sẽ bốc cháy ở nơi mà photon đi qua. Bằng cách tập trung vào quỹ đạo hơn là điểm đến cuối cùng, photon có thể là một làn sóng. Điều này là do nếu bạn đo vị trí chính xác của photon tại mỗi thời điểm, thì nó có dạng điểm và không thể tự đánh trúng.
Đây là một trong nhiều ví dụ trong vật lý lượng tử, nơi một phép đo ảnh hưởng tích cực đến kết quả của phép đo nói trên. Do đó, trong phần thí nghiệm này, hình ảnh giao thoa ở cuối quỹ đạo của photon không có. Do đó, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách một photon có thể là một hạt. Thách thức bây giờ là định lượng bao nhiêu trong số này là một hạt và bao nhiêu còn lại của đặc tính sóng.
Vì cả hai photon của cùng một tinh thể được tạo ra cùng nhau, chúng tạo thành một trạng thái lượng tử duy nhất. Điều này có nghĩa là có thể tìm ra một công thức toán học mô tả đồng thời cả hai photon này. Kết quả là, nếu các nhà nghiên cứu có thể định lượng mức độ mạnh của "tính phân chia" và "bước sóng" của hai photon, thì phép định lượng đó có thể được áp dụng cho toàn bộ chùm tia tới tinh thể.
Thật vậy, các nhà nghiên cứu đã thành công. Họ đo độ gợn sóng của photon bằng cách kiểm tra khả năng hiển thị của hình giao thoa. Khi tầm nhìn cao, photon rất giống sóng. Khi mô hình gần như không nhìn thấy, họ kết luận rằng photon phải rất giống một hạt.
Và khả năng hiển thị này là tình cờ. Nó là cao nhất khi cả hai tinh thể đều nhận được cùng một cường độ của chùm tia laze. Tuy nhiên, nếu chùm tia từ một tinh thể này có cường độ mạnh hơn nhiều so với tinh thể kia, khả năng hiển thị của mẫu trở nên rất mờ nhạt và các photon có nhiều khả năng trông giống như các hạt.
Kết quả này thật đáng ngạc nhiên vì trong hầu hết các thí nghiệm, ánh sáng chỉ được đo dưới dạng sóng hoặc hạt. Ngày nay, trong một số thí nghiệm, cả hai thông số đã được đo đồng thời. Điều này có nghĩa là có thể dễ dàng xác định được mỗi nguồn sáng có bao nhiêu thuộc tính.
Cũng thú vị: QuTech ra mắt trình duyệt cho Internet lượng tử
Các nhà vật lý lý thuyết rất vui mừng
Kết quả này tương ứng với dự đoán trước đó của các nhà lý thuyết. Theo lý thuyết của họ, sóng giống và phân tử của một đối tượng lượng tử như thế nào phụ thuộc vào độ tinh khiết của nguồn. Độ tinh khiết trong ngữ cảnh này chỉ là một cách diễn đạt ưa nhìn về xác suất một nguồn tinh thể cụ thể sẽ là nguồn phát ra ánh sáng. Công thức như sau: V2 + P2 = µ2, trong đó V là khả năng hiển thị của hình định hướng, P là khả năng hiển thị của đường đi và µ là độ tinh khiết của nguồn.
Điều này có nghĩa là một đối tượng lượng tử như ánh sáng có thể giống sóng ở một mức độ nào đó và giống hạt ở một mức độ nào đó, nhưng điều này bị giới hạn bởi độ tinh khiết của nguồn. Một vật lượng tử có dạng sóng nếu nhìn thấy một hình giao thoa hoặc nếu giá trị của V không bằng không. Ngoài ra, nó giống như hạt nếu đường đi có thể quan sát được hoặc nếu P khác không.
Một hệ quả khác của dự đoán này là độ tinh khiết là nếu độ vướng của đường lượng tử cao thì độ tinh khiết thấp, và ngược lại. Các nhà khoa học tiến hành thí nghiệm đã chỉ ra điều này một cách toán học trong công việc của họ. Bằng cách điều chỉnh độ tinh khiết của các tinh thể và đo kết quả, họ có thể chứng minh rằng những dự đoán lý thuyết này thực sự đúng.
Cũng thú vị: NASA sẽ khởi động máy tính lượng tử để xử lý và lưu trữ "núi" dữ liệu
Máy tính lượng tử nhanh hơn?
Mối liên hệ giữa sự vướng víu của một đối tượng lượng tử với tính cụ thể và độ nặng của nó là đặc biệt thú vị. Các thiết bị lượng tử có thể cung cấp năng lượng cho internet lượng tử dựa trên sự vướng víu. Internet lượng tử là một sự tương tự lượng tử của Internet dành cho máy tính cổ điển. Bằng cách kết nối nhiều máy tính lượng tử với nhau và cho phép chúng chia sẻ dữ liệu, các nhà khoa học hy vọng sẽ thu được nhiều sức mạnh hơn mức có thể đạt được với một máy tính lượng tử duy nhất.
Nhưng thay vì gửi các bit xuống một sợi quang, đó là những gì chúng ta làm để cung cấp năng lượng cho internet cổ điển, chúng ta cần kết nối các qubit để tạo thành internet lượng tử. Có thể đo sự vướng víu của một hạt và độ nặng của một photon có nghĩa là chúng ta có thể tìm ra những cách đơn giản hơn để kiểm soát chất lượng của internet lượng tử.
Ngoài ra, bản thân máy tính lượng tử có thể trở nên tốt hơn bằng cách sử dụng thuyết nhị nguyên sóng hạt. Theo đề xuất của các nhà nghiên cứu từ Đại học Thanh Hoa của Trung Quốc, có thể chạy một máy tính lượng tử nhỏ thông qua một mạng lưới nhiều khe để tăng sức mạnh của nó. Một máy tính lượng tử nhỏ sẽ bao gồm một vài nguyên tử mà bản thân chúng được sử dụng làm qubit, và những thiết bị như vậy đã tồn tại.
Việc truyền các nguyên tử này qua một mạng tinh thể nhiều khe rất giống với việc truyền ánh sáng qua một khe kép, mặc dù tất nhiên là phức tạp hơn một chút. Điều này sẽ tạo ra nhiều trạng thái lượng tử có thể xảy ra hơn, do đó, sẽ làm tăng sức mạnh của máy tính "khai hỏa". Toán học đằng sau điều này quá phức tạp để giải thích trong bài báo này, nhưng kết quả quan trọng là một máy tính hai lượng tử như vậy có thể tính toán song song tốt hơn máy tính lượng tử thông thường. Tính toán song song cũng phổ biến trong tính toán cổ điển và về cơ bản đề cập đến khả năng của một máy tính để thực hiện nhiều phép tính đồng thời, làm cho nó nhanh hơn về tổng thể.
Vì vậy, trong khi đây là nghiên cứu rất cơ bản, các ứng dụng khả thi đã ở trên đường chân trời. Hiện tại vẫn chưa thể chứng minh được, nhưng những khám phá này có thể tăng tốc máy tính lượng tử và tăng tốc một chút cho sự xuất hiện của internet lượng tử.
Cũng thú vị: Trung Quốc đã tạo ra một máy tính lượng tử mạnh hơn một triệu lần so với Google
Rất cơ bản, nhưng rất thú vị
Tất cả điều này nên được thực hiện với rất nhiều sự hoài nghi. Nghiên cứu là chắc chắn, nhưng nó cũng rất cơ bản. Như thường thấy trong khoa học và công nghệ, còn một chặng đường dài từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng trong thế giới thực.
Nhưng các nhà nghiên cứu từ Hàn Quốc đã phát hiện ra một điều rất thú vị: bí ẩn về thuyết nhị nguyên sóng hạt sẽ không sớm biến mất. Ngược lại, nó có vẻ đã ăn sâu vào tất cả các vật thể lượng tử nên tốt hơn là sử dụng nó. Với cơ sở định lượng mới liên quan đến độ tinh khiết của nguồn, điều này sẽ dễ dàng thực hiện hơn.
Một trong những trường hợp sử dụng đầu tiên có thể xảy ra trong tính toán lượng tử. Như các nhà khoa học đã chỉ ra, rối lượng tử và thuyết nhị nguyên sóng hạt có liên quan với nhau. Do đó, thay vì vướng víu, bạn có thể đo lường mức độ nặng nề và độ chính xác. Điều này có thể giúp các nhà khoa học đang nghiên cứu tạo ra một mạng internet lượng tử. Hoặc bạn có thể sử dụng tính hai mặt để cải thiện máy tính lượng tử và làm cho chúng nhanh hơn. Dù bằng cách nào, có vẻ như thời lượng tử thú vị đang ở gần.
Đọc thêm:
Cảm ơn vì bài viết! "Các chương trình khả thi đã xuất hiện" - có lẽ không phải là chương trình, mà là ứng dụng?
Cảm ơn, rất thú vị. Nhiều bài viết như vậy.
Cảm ơn! Chúng tôi sẽ cố gắng ;)