Nhìn vào thế giới lượng tử

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'nhìn vào thế giới lượng tử', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nhìn vào thế giới lượng tử

Nhìn vào th gi i lư ng t Tác gi Barry Sanders gi i thích làm th nào các mô hình ng tiên ti n ang k t c vai trò c a các thí nghi m Gedanke cơ lư ng t c in giúp hình dung ra s ph c t p và nh ng thách th c c a n n công ngh lư ng t m i. 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, 1024 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 chuy n bo m ch ch c a máy tính tương lai v i m t chip lư ng t tích h p vào m t m ch tích h p 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 143 Tuy n Physics World 2008 | © 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 b n ư c nêu ra sau cùng c a bo m ch ch trong “Câu chuy n bo m ch”. 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 N n n v t lí lư ng t y 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 . 144 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Các hình ng ng n lư ng t 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 ih 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. 145 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Máy tính lư ng t : phim ng 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 thN mĩ. Th t v y, thương lư ng gi a các nhà m 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. 146 http://www.thuvienvatly.info | © 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 chuN trong ngành thông tin lư ng t . Tr ng n 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 cN bi u di n m t s ch ng ch t c a các “tr ng thái c c” này. u 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 chuN c a các qu n 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 b n ư c nêu ra sau cùng c a hình nh trong “ h ng cái nhìn khác”. 147 Tuy n Physics World 2008 | © 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 thN mĩ v a có ý nghĩa. m S c m nh c a s 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 148 http://www.thuvienvatly.info | © 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 149 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay