Các nhà nghiên cứu đã phát hiện cách mà các fermion Majorana Floquet có thể cải thiện máy tính lượng tử bằng cách điều khiển dòng điện trong chất siêu dẫn nhằm giảm thiểu lỗi và tăng cường tính ổn định.
Một nghiên cứu gần đây cho thấy rằng các chất siêu dẫn được điều khiển tuần hoàn có thể chứa fermion Majorana Floquet, cho phép điều chỉnh dòng điện Josephson thông qua tiềm năng hóa học, mở ra tiềm năng phát triển xử lý thông tin lượng tử có kiểm soát. Bằng cách mã hóa dữ liệu lượng tử theo cách phi cục bộ, phương pháp này có thể giúp giảm hiện tượng phân tán lượng tử và tạo tiền đề cho các hệ thống máy tính lượng tử ổn định hơn - Ảnh: SciTechDaily.com
Một nghiên cứu mới đã tiết lộ những hiểu biết quan trọng về hành vi của dòng điện trong các chất siêu dẫn, điều này có thể đóng góp vào sự phát triển trong việc xử lý thông tin lượng tử có kiểm soát.
Nghiên cứu do Babak Seradjeh, Giáo sư Vật lý tại Đại học Indiana Bloomington, cùng các nhà vật lý lý thuyết Rekha Kumari và Arijit Kundu từ Viện Công nghệ Ấn Độ Kanpur đồng tác giả. Nghiên cứu chủ yếu về mặt lý thuyết nhưng đã được xác nhận thông qua các mô phỏng số. Được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, tạp chí hàng đầu về vật lý, nghiên cứu này xem xét các fermion Majorana Floquet và vai trò của chúng trong hiệu ứng Josephson - một hiện tượng có thể cho phép kiểm soát chính xác hơn động lực học của các hệ thống lượng tử được điều khiển.
Giáo sư Babak Seradjeh - Ảnh: Indiana University
Tiềm năng thúc đẩy máy tính lượng tử
Việc phát triển một máy tính lượng tử hoàn chỉnh gặp phải một vấn đề cốt lõi: bất ổn định. Sự không ổn định này chủ yếu là do một hiện tượng gọi là "phân tán lượng tử" (quantum decoherence), trong đó các bit lượng tử, hay còn gọi là "qubit" mất đi trạng thái lượng tử mong manh của chúng do sự can thiệp từ môi trường xung quanh, như biến động nhiệt độ hoặc nhiễu điện từ.
Các qubit có thể được tạo ra bằng việc sử dụng các hệ thống vật lý khác nhau như ion bị giam giữ, mảng quang học hoặc các siêu bán dẫn - những vật liệu có thể dẫn điện mà không gặp bất kỳ sự cản trở nào và không mất năng lượng ở nhiệt độ cực thấp gần bằng không tuyệt đối. Điều này khiến cho các máy tính lượng tử cực kỳ tiêu tốn năng lượng để làm lạnh và ổn định, bởi vì khi các qubit không được giữ đủ lạnh, chúng sẽ mất ổn định và thường xuyên xảy ra lỗi hơn.
Một cách để khắc phục các lỗi như vậy là tìm kiếm "chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng", thường được gọi là “chén thánh” của chất siêu dẫn, vì quá trình làm lạnh là rất tốn kém và phức tạp. Nếu các nhà khoa học có thể phát triển vật liệu chất siêu dẫn gần với nhiệt độ phòng (khoảng 20-25 độ C hoặc 68-77 độ F), điều này có thể tạo ra một cuộc cách mạng công nghệ như chúng ta biết, cuối cùng không cần nhiều điện năng, các thiết bị điện tử nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và bảo mật cao hơn.
Giáo sư Seradjeh và các đồng nghiệp giải quyết vấn đề phân tán lượng tử theo một cách khác - bằng cách mã hóa thông tin lượng tử không theo vị trí cụ thể, thông tin lượng tử được phân bố trên một khoảng cách lớn hơn trong không gian, do đó khiến nó không bị ảnh hưởng bởi nhiễu và dao động cục bộ.
Điều gì khiến "Fermion Majorana Floquet" đặc biệt đối với máy tính lượng tử?
Fermion Majorana được đặt tên theo Ettore Majorana, nhà vật lý người Ý, người đầu tiên đề xuất sự tồn tại của chúng vào năm 1937 là các hạt siêu hạt nhân có hành vi độc đáo; không giống như hầu hết các hạt khác, fermion Majorana là hạt phản hạt của chính nó. (Mỗi loại hạt trong vũ trụ, như electron và proton đều có một hạt phản hạt tương ứng với điện tích đối và cùng khối lượng. Sự đối xứng này giữa hạt và phản hạt là một phần cơ bản trong cấu trúc của vũ trụ).
Năm 2000, nhà vật lý toán học Alexei Kitaev đã nhận ra rằng fermion Majorana không chỉ có thể tồn tại ở dạng hạt cơ bản mà còn có thể tồn tại như các dao động lượng tử trong một số vật liệu nhất định được gọi là siêu dẫn topo. Những vật liệu này khác với các chất siêu dẫn thông thường ở chỗ chúng có các trạng thái lượng tử độc đáo, ổn định ở bề mặt hoặc các cạnh của chúng, được bảo vệ bởi cấu trúc topo cơ bản của vật liệu - cách mà chuyển động của electron được hình thành ở mức độ lượng tử.
Những trạng thái bề mặt này khiến chúng chống lại sự gián đoạn, đó là lý do tại sao chúng có tiềm năng phát triển các máy tính lượng tử ổn định hơn. Những trạng thái đặc biệt này hành xử giống như fermion Majorana, điều mà không tồn tại trong các chất siêu dẫn thông thường. Về lý thuyết, các fermion Majorana này có thể được sử dụng để lưu trữ thông tin lượng tử không theo vị trí cụ thể, từ đó cung cấp một cách bảo vệ qubit khỏi sự phân tán lượng tử.
Giáo sư Seradjeh và các đồng nghiệp đã nghiên cứu fermion Majorana trong một bối cảnh cụ thể: các chất siêu dẫn "được điều khiển theo chu kỳ", có nghĩa là chúng bị tác động bởi các nguồn năng lượng bên ngoài thay phiên nhau theo chu kỳ. Việc điều khiển chu kỳ này thay đổi hành vi của fermion Majorana, biến chúng thành "fermion Majorana Floquet" (FMFs). Fermion Majorana Floquet có thể tồn tại trong các trạng thái riêng biệt mà khó có thể đạt được nếu không có sự điều khiển chu kỳ, thay đổi dựa trên sự tương tác với nguồn năng lượng thay phiên. Việc điều khiển chu kỳ các chất siêu dẫn là yếu tố quan trọng để duy trì FMFs và các mô hình bất thường mà chúng tạo ra.
Để tạo ra dòng điện trong các vật liệu dẫn thông thường giữa hai điểm, người ta dùng một điện áp, đẩy dòng điện giữa hai điểm. Tuy nhiên, nhờ một quá trình lượng tử kỳ lạ được gọi là "hiệu ứng Josephson", dòng điện có thể chảy giữa hai chất siêu dẫn mà không cần điện áp. FMFs ảnh hưởng đến dòng điện Josephson theo những cách đặc biệt. Trong hầu hết các hệ thống, dòng điện giữa hai chất siêu dẫn lặp lại theo các khoảng thời gian đều đặn. Tuy nhiên, FMFs thể hiện dưới dạng một mẫu dòng điện dao động với tốc độ bằng một nửa so với tần suất bình thường, tạo ra một dấu hiệu độc đáo có thể giúp phát hiện chúng.
Kỹ thuật mới điều chỉnh dòng điện
Một trong những phát hiện quan trọng mà nghiên cứu của Seradjeh và các đồng nghiệp chỉ ra là cường độ dòng điện Josephson - lượng dòng điện - có thể được điều chỉnh thông qua "tiềm năng hóa học" của các chất siêu dẫn. Nói một cách đơn giản, tiềm năng hóa học hoạt động như một núm vặn điều chỉnh các đặc tính của vật liệu và các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng nó có thể được điều chỉnh bằng cách đồng bộ với tần số của nguồn năng lượng bên ngoài điều khiển hệ thống. Điều này có thể giúp các nhà khoa học kiểm soát tốt hơn với các vật liệu lượng tử và mở ra khả năng ứng dụng trong việc xử lý thông tin lượng tử, nơi mà việc điều khiển chính xác các trạng thái lượng tử là rất quan trọng.
Phát hiện rằng fermion Majorana Floquet có những đặc tính độc đáo có thể được kiểm soát thông qua các nguồn năng lượng bên ngoài có thể giúp mở đường cho việc xây dựng các máy tính lượng tử nhanh hơn và ít bị lỗi hơn. Những phát hiện này cung cấp cho các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới một lộ trình để phát hiện và khám phá những đặc tính có thể điều khiển mới trong các hệ thống lượng tử được điều khiển.
Việt An
(Lược dịch)