Có thể dự đoán được bước nhảy con mèo của Schrödinger (và cứu được nó)

Các nhà nghiên cứu Yale đã miêu tả cách bắt và cứu con mèo nổi tiếng của Schrödinger, biểu tượng của sự chồng chập và không thể dự đoán của lượng tử, bằng việc đoán trước những cú nhảy và hành động của mèo trong thời gian thực để cứu nó khỏi cái chết mà ai cũng biết. Với quá trình này, họ đã lật đổ những điều tồn tại nhiều năm trong vật lý lượng tử.

Các nhà nghiên cứu ở Yale đã tìm cách cứu được con mèo nổi tiếng của Schrödinger. 

Khám phá này cho phép các nhà nghiên cứu thiết lập một hệ thống cảnh báo sớm cho những bước nhảy sắp xảy ra của các nguyên tử nhân tạo chứa thông tin lượng tử. Nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Nature vào ngày 3/6/2019.

Con mèo của Schrödinger là một nghịch lý nổi tiếng được dùng để vẽ ra ý tưởng về sự chồng chập lượng tử – khả năng cho hai trạng thái đối nghịch nhau cùng đồng thời tồn tại – và tính không thể dự đoán được của vật lý lượng tử. Ý tưởng này là có một con mèo đặt trong một cái hộp kín với một nguồn phóng xạ và một chất độc sẽ được châm ngòi nếu một nguyên tử của chất thải phóng xạ phân rã. Lý thuyết chồng chập của vật lý lượng tử đề xuất là cho đến khi ai đó mở chiếc hộp này, con mèo sẽ ở hai trạng thái vừa sống vừa chết, một trạng thái chồng chập. Việc mở chiếc hộp để bảo vệ mèo, thay đổi đột ngột trạng thái lượng tử của nó một cách ngẫu nhiên, bắt buộc nó lâm vào cảnh hoặc sống hoặc chết.

Bước nhảy lượng tử là sự rời rạc (không liên tục) và thay đổi ngẫu nhiên trong trạng thái này khi nó được quan sát.

Thí nghiệm này được thực hiện trong phòng thí nghiệm của giáo sư Michel Devoret và do nhà nghiên cứu Zlatko Minev đề xuất – anh là tác giả chính của công bố. Kết quả thí nghiệm cho thấy một khám phá gây ngạc nhiên vì nó mâu thuẫn với quan điểm đã được xác nhận của nhà vật lý Đan Mạch Niels Bohr – những bước nhảy không đột ngột mà cũng không ngẫu nhiên như trước đây đã nghĩ.

Với một vật thể nhỏ bé như một electron, phân tử hay một nguyên tử nhân tạo chứa thông tin lượng tử (vẫn được gọi là một qubit), một bước nhảy lượng tử là một chuyển pha đột ngột từ một trong những trạng thái năng lượng rời rạc của chúng sang trạng thái khác. Trong quá trình phát triển các máy tính lượng tử, các nhà nghiên cứu phải chú ý đến hành xử với những bước nhảy của các qubit này, vốn là những biểu thị của các lỗi trong tính toán.

Những bước nhảy lượng tử bí ẩn đã được Niels Bohr lý thuyết hóa một thế kỷ trước nhưng cho đến tận những năm 1980, người ta mới quan sát được hiện tượng này trong các nguyên tử.

“Những bước nhảy đó xảy ra mọt thời điểm chúng tôi đo đạc được một qubit”, Devoret – giáo sư F.W. Beinecke về vật lý và vật lý ứng dụng tại Yale và là thành viên của nhóm nghiên cứu Viện Lượng tử Yale, nói. “Các bước nhảy lượng tử được biết là không thể dự đoán trong thời gian dài”.

“Bất chấp điều đó”, Minev cho biết thêm, “chúng tôi muốn biết là liệu có thể nhận lấy một tín hiệu cảnh báo trước là một bước nhảy sẽ xảy ra tới đây không”.

Minev lưu ý là thực nghiệm này được truyền cảm hứng từ dự đoán về mặt lý thuyết của giáo sư Howard Carmichael của trường đại học Auckland, một nhà nghiên cứu tiên phong về lý thuyết về quỹ đạo lượng tử và đồng tác giả nghiên cứu.

Thêm vào tác động cơ bản của khám phá, nghiên cứu này là một bước tiến lớn đầy tiềm năng trong việc hiểu và kiểm soát thông tin lượng tử. Các nhà nghiên cứu cho biết việc quản lý dữ liệu lượng tử và hiệu chỉnh các lỗi rất xác thực vì việc chúng xuất hiện là thách thức lớn cho việc phát triển những máy tính lượng tử hữu dụng đầy đủ.

Nhóm nghiên cứu Yale đã áp dụng một cách tiếp cận đặc biệt để điều khiển một cách gián tiếp một nguyên tử nhân tạo siêu dẫn, với ba nguồn phát vi sóng chiếu lên nguyên tử này trong một khoang 3-D được làm từ nhôm. Phương pháp điều khiển gián tiếp hai lần này do Minev phát triển cho các mạch siêu dẫn, cho phép các nhà nghiên cứu có thể quan sát nguyên tử này theo cách chưa từng biết đến.

Bức xạ vi sóng tỏa lên nguyên tử nhân tạo này như nó được quan sát, kết quả trong các bước nhảy lượng tử. Tín hiệu lượng tử nhỏ bé của các bước nhảy đó có thể được khuếch đại mà không bị mất mát ở nhiệt độ phòng. Tại đó, tín hiệu của chúng có thể được điều khiển trong thời gian thực. Nó cho phép các nhà nghiên cứu thấy sự thiếu hụt đột ngột của các hạt photon dò được (các photon phát  ra bởi một trạng thái phụ thuộc của nguyên tử bị vi sóng kích thích); sự thiếu hụt là cảnh báo sớm về một bước nhảy lượng tử.

“Hiệu ứng tuyệt đẹp được hiển thị trong thực nghiệm này là sự gia tăng của tính liên kết trong suốt bước nhảy, bất chấp việc quan sát nó”, Devoret nói. Minev cho biết thêm, “anh có thể tác động đến nó mà để không chỉ bắt được bước nhảy mà còn đảo ngược được nó”.

Đây chính là điểm cốt lõi, các nhà nghiên cứu cho biết. Trong khi các bước nhảy lượng tử xuất hiện riêng rẽ và ngẫu nhiên trong suốt quá trình, việc đảo ngược một bước nhảy lượng tử có nghĩa là một cuộc cách mạng trong trạng thái lượng tử, một đặc điểm tất định và không ngẫu nhiên; bước nhảy luôn luôn xảy ra theo cùng lúc và có thể dự đoán ngay từ khởi điểm ngẫu nhiên của nó.

“Các bước nhảy lượng tử của một nguyên tử là cái gì đó tương tự với sự phun trào của một núi lửa”, Minev nói. “Chúng hoàn toàn không thể dự đoán được trong một thời gian dài. Dù vậy, với việc điều khiển được chính xác, chúng tôi có thể dò được một cảnh báo sớm của một tai nạn sẽ xảy ra và tác động lên nó trước khi nó xảy ra”.

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-06-physicists-schrodinger-cat.html