Khoa học lượng tử là gì năm 2024

Không ai có thể chỉ ra cách tốt nhất để xây dựng một máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi và có nhiều công ty cũng như nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu các loại qubit khác nhau. Dưới dây, chúng tôi đưa ra một ví dụ ngắn gọn về một số công nghệ qubit.

Bộ xử lý bẫy ion dựa trên cổng

Máy tính lượng tử dựa trên cổng là một thiết bị lấy dữ liệu đầu vào và chuyển đổi nó bằng một thao tác đơn nhất được xác định trước. Thao tác này thường được biểu diễn bằng một mạch lượng tử và tương tự như các thao tác cổng trong thiết bị điện tử truyền thống. Tuy nhiên, cổng lượng tử hoàn toàn khác với cổng điện tử.

Các máy tính lượng tử bẫy ion triển khai qubit bằng cách sử dụng trạng thái điện tử của các nguyên tử tích điện gọi là các ion. Các ion bị hạn chế và lơ lửng phía trên bẫy vi gia công bằng cách sử dụng điện trường. Các hệ thống dựa trên bẫy ion sử dụng các cổng lượng tử dùng tia laser để điều khiển trạng thái điện tử của ion. Các qubit bẫy ion sử dụng các nguyên tử đến từ tự nhiên, thay vì tạo ra các qubit tổng hợp.

Bộ xử lý siêu dẫn dựa trên cổng

Siêu dẫn là một tập hợp các đặc tính vật lý mà bạn có thể quan sát thấy trong một số vật liệu nhất định, như thủy ngân và heli ở nhiệt độ rất thấp. Ở những vật liệu này, bạn có thể quan sát nhiệt độ tới hạn đặc trưng mà dưới mức đó điện trở sẽ bằng không và trường từ thông bị loại bỏ. Dòng điện qua một vòng dây siêu dẫn có thể tồn tại vô thời hạn mà không cần nguồn điện.

Điện toán lượng tử siêu dẫn là hoạt động của máy tính lượng tử trong các mạch điện tử siêu dẫn. Qubit siêu dẫn được tạo ra bằng các mạch điện siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ đông lạnh.

Bộ xử lý quang tử

Bộ xử lý quang lượng tử là một thiết bị điều khiển ánh sáng để tính toán. Máy tính quang lượng tử tận dụng nguồn ánh sáng lượng tử phát ra xung ánh sáng ở trạng thái ép cùng các đơn vị tương đương qubit tương ứng với các chế độ của một toán tử liên tục, chẳng hạn như vị trí hoặc động lượng.

Bộ xử lý nguyên tử trung hòa

Công nghệ qubit nguyên tử trung hòa tương tự như công nghệ bẫy ion. Tuy nhiên, công nghệ này sử dụng ánh sáng thay vì lực điện từ để bẫy qubit và giữ nó ở đúng vị trí. Các nguyên tử không được tích điện và các mạch có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng

Bộ xử lý nguyên tử Rydberg

Nguyên tử Rydberg là một nguyên tử bị kích thích bởi một hoặc nhiều electron ở xa hạt nhân hơn, theo trung bình. Nguyên tử Rydberg có một số đặc tính đặc biệt bao gồm phản ứng thái quá với điện trường và từ trường, và có thời gian tồn tại cao. Khi được sử dụng làm qubit, chúng tạo ra các tương tác nguyên tử mạnh mẽ và có thể kiểm soát được mà bạn có thể điều chỉnh bằng cách chọn các trạng thái khác nhau.

Máy ủ lượng tử

Ủ lượng tử là việc thông qua một quá trình vật lý để đặt các qubit của hệ thống lượng tử ở mức năng lượng tối thiểu tuyệt đối. Sau đó, phần cứng sẽ nhẹ nhàng thay đổi cấu hình của hệ thống, làm cho biểu đồ năng lượng của nó thể hiện ra vấn đề cần được giải quyết. Ưu điểm của máy ủ lượng tử là số lượng qubit có thể lớn hơn nhiều so với số lượng có sẵn trong hệ thống dựa trên cổng. Tuy nhiên, việc sử dụng các máy ủ chỉ giới hạn trong các trường hợp cụ thể.

Có hơn 300 giảng viên, giáo viên, sinh viên, học sinh tham dự bài giảng khoa học đại chúng của GS Duncan Haldane (giải Nobel Vật lý năm 2016, Trường ĐH Princeton, Mỹ) về chủ đề “Vật chất lượng tử Topo, vướng víu lượng tử và cuộc cách mạng lượng tử lần thứ 2” vào chiều 13.7, tại Trường ĐH Quy Nhơn.

Bài giảng kéo dài gần 2 giờ, nhưng nhờ được GS Đàm Thanh Sơn, đang làm việc tại Trường ĐH Chicago, Mỹ - đạt giải Dirac năm 2018, dẫn dắt, phiên dịch nên học viên dễ tiếp cận.

Theo đuổi đam mê khoa học cần sự tận tụy, bền bỉ

GS Haldane chia sẻ, công trình nghiên cứu của ông được viết ra từ năm 1988, nhưng nó trải qua 1 thời gian dài để được chấp nhận. Ban đầu, công trình này vấp phải nhiều ý kiến trái chiều từ cộng đồng khoa học thế giới, thậm chí có người cho rằng nó là điều phi lý. Tuy nhiên, ông và các cộng sự vẫn bền bỉ giữ vững lập trường, không ngừng cộng tác, phản biện với các cộng đồng khoa học cho đến ngày giới thực nghiệm chứng minh điều đó là đúng.

GS Duncan Haldane và GS Đàm Thanh Sơn có buổi nói chuyện, giao lưu khoa học đại chúng với giáo viên, sinh viên, học sinh tại Trường ĐH Quy Nhơn. Ảnh: TRỌNG LỢI

Từ bài giảng đại chúng, GS Haldane đem đến thông điệp: Khi mà mọi người hiểu sâu sắc hơn về cơ học lượng tử thì con người có những tư duy mới về các vật liệu liên quan, khả năng tìm ra những vật liệu mới sẽ hiện ra, qua đó ông khích lệ học sinh, sinh viên, công chúng đến với nghiên cứu khoa học. GS bộc bạch, đôi khi bạn phải gặp may, tức là tìm ra những điều chưa từng ai khám phá hoặc không ai chờ đợi. Nhưng muốn biết đó là may mắn thì bạn phải chuẩn bị, đầu tư và theo đuổi ý tưởng của mình đến cùng. Khi tìm ra ý tưởng mới, đôi khi có nhiều người chống lại ý tưởng đó thì phải đấu tranh để bảo vệ ý tưởng của mình. Một việc rất khó đối với người làm khoa học là giải thích khoa học cho công chúng. Hãy hình dung, bạn dẫm phải cát nhưng trong những hạt cát đó có lẫn viên kim cương. Điều cần là bạn phải biết là mình đã dẫm phải kim cương và nhặt nó lên.

“Có thể đưa khoa học lượng tử vào chương trình giảng dạy đại học”

Sau bài giảng khoa học đại chúng, không khí hội trường của Trường ĐH Quy Nhơn trở nên sôi nổi qua phần giao lưu.

Em Võ Tuấn Minh, học sinh lớp 5 Trường Tiểu học Kim Đồng (TP Quy Nhơn), dí dỏm nêu câu hỏi cuộc cách mạng khoa học lượng tử lần thứ 2 mang lại lợi ích gì cho nhân loại? GS Duncan Haldane cho rằng, một trong những ý tưởng hiện nay là cần có máy tính lượng tử để thiết kế ra những hệ lượng tử mới. Giả sử chúng ta có máy tính lượng tử thì có thể làm ra những vật liệu mới, phân tử mới, làm ra vắc xin nhanh hơn nhiều so với máy tính cổ điển hiện nay. Thời điểm này, đã xuất hiện những thiết bị đo lượng tử, thiết bị này không dựa vào hiện tượng vướng víu lượng tử. Tuy nhiên, khi ta hiểu lượng tử thì sẽ làm ra nhiều thiết bị tốt, tiến bộ hơn để ứng phó, ngăn ngừa trước những vấn đề như biến đổi khí hậu. Trong tương lai, tôi tin rằng sẽ có nhiều thành quả lượng tử, góp phần thay đổi cuộc sống của bạn. Chưa kể, hiện có nhiều sinh viên theo học ngành khoa học kỹ thuật điện đang quan tâm đến khoa học lượng tử. Các bạn sẽ được tham gia vào những tiến bộ này. Trên thế giới, trong đó có Mỹ, Trung Quốc rất coi trọng việc phát triển khoa học lượng tử…”.

Buổi nói chuyện, giao lưu khoa học đại chúng thu hút đông đảo bạn trẻ yêu khoa học tham dự. Ảnh: TRỌNG LỢI

Về câu hỏi, vật lý lượng tử có thể đưa vào chương trình đại học được hay không vì nó có tính ứng dụng cao, giáo sư Duncan Haldane, chia sẻ: “Các nhà hóa học cũng phải học cơ học lượng tử nhưng phần lớn là môn vật lý. Tuy nhiên, gần đây do nhu cầu thị trường nên rất nhiều kỹ sư cũng muốn học cơ học lượng tử. Họ còn học thông tin lượng tử trong các khóa, vậy nên chúng ta cần đưa khoa học lượng tử vào chương trình đại học và dạy nó bằng một cách mới, phương pháp mới”. Nhận câu trả lời đầy tính gợi mở này, chị Nguyễn Thị Thu Hưởng, cựu sinh viên ngành quản lý giáo dục, Trường ĐH Quy Nhơn hy vọng tương lai gần, trường sẽ có thêm ngành ngành đào tạo mới này. Từ đó giúp sinh viên có điều kiện tiếp cận nghiên cứu, ứng dụng khoa học lượng tử vào đời sống.

Chị Nguyễn Thị Thu Hưởng nêu câu hỏi vật lý lượng tử có thể đưa vào chương trình đại học được hay không vì nó có tính ứng dụng cao. Ảnh: TRỌNG LỢI

“Em thấy các nhà vật lý nói về các pha vật chất. Vậy việc phân loại các pha vật chất có mức độ quan trọng như thế nào trong khoa học và đời sống hằng ngày?”, sinh viên Đặng Ngọc Ánh, ngành Thương mại quốc tế (Trường ĐH Quy Nhơn) đặt câu hỏi. GS Haldane chia sẻ, cuộc cách mạng lượng tử đã xảy ra khoảng 90 năm trước, sau khi cơ học lượng tử được tìm ra thì có rất nhiều vấn đề rất khó hiểu, khó giải nghĩa. Tuy nhiên, gần đây vấn đề cơ học lượng tử được nhìn theo cách nhìn mới. Chúng ta chưa tìm ra quy luật nào mới cho cơ học lượng tử nhưng đây là cách nhìn mới, dẫn đến khả năng có những kỹ thuật mới như: có thể làm ra máy tính lượng tử để giải quyết được nhiều bài toán cùng một lúc, không giống như máy tính cổ điển phải làm bài toán 1, 2, 3, 4…

Học sinh đặt câu hỏi giao lưu với GS Duncan Haldane tại buổi nói chuyện, giao lưu khoa học đại chúng. Ảnh: TRỌNG LỢI

“Hiện nay, các thí nghiệm cho thấy vật lý cơ học lượng tử là đúng 100% nhưng ai biết được trong tương lai sẽ có thí nghiệm mới. Thí nghiệm luôn là nguồn gốc của chân lý nên cơ học lượng tử rất quan trọng trong đời sống của chúng ta”, GS Duncan Haldane chốt lại vấn đề.

* Đến dự buổi nói chuyện khoa học đại chúng có Phó Chủ tịch Thường trực UBND tỉnh Nguyễn Tuấn Thanh; GS Trần Thanh Vân - Chủ tịch Hội Gặp gỡ Việt Nam; GS Lê Kim Ngọc - Chủ tịch Hội Bảo trợ trẻ em Việt Nam tại Pháp; lãnh đạo các sở, ngành của tỉnh và hơn 300 giáo viên, sinh viên, học sinh đến từ các trường đại học, phổ thông thuộc TP Quy Nhơn, như: ĐH Quy Nhơn, THPT chuyên Lê Quý Đôn, THPT Nguyễn Thái Học, Tiểu học Kim Đồng... Sự kiện này do Hội Gặp gỡ Việt Nam, Trung tâm Quốc tế Khoa học và Giáo dục liên ngành phối hợp cùng Trường ĐH Quy Nhơn tổ chức, nằm trong chuỗi các sự kiện chương trình “Gặp gỡ Việt Nam” lần thứ 18 - năm 2022, diễn ra tại Bình Định.

Phó Chủ tịch Thường trực UBND tỉnh Nguyễn Tuấn Thanh dự buổi nói chuyện khoa học đại chúng. Ảnh: TRỌNG LỢI

* GS Duncan Haldane (71 tuổi) là nhà khoa học người Anh. Ông nhận bằng tiến sĩ tại Trường ĐH Cambridge (Anh) và chọn làm việc tại ĐH Princeton từ năm 1990. Ông được biết đến với nhiều đóng góp cơ bản cho vật lý, vật chất cô đặc bao gồm lý thuyết về chất lỏng Luttinger, lý thuyết về chuỗi spin một chiều, lý thuyết về hiệu ứng hội trường lượng tử phân đoạn.