143 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Nhìn vào thế giới lượng tử
Tác giả Barry Sanders giải thích làm thế nào các mô hình động tiên tiến đang kế tục vai
trò của các thí nghiệm Gedanke cơ lượng tử cổ điển để giúp hình dung ra sự phức tạp và những
thách thức của nền công nghệ lượng tử mới.
Sở thích của tôi trong việc mường tượng khoa học bắt đầu khi tôi còn là một sinh viên
chưa tốt nghiệp tại trường Đại học Calgary và lần đầu tiên xem bộ phim “Sức mạnh của số 10”.
Bộ phim bắt đầu và kết thúc với hình ảnh một người đàn ông đang ngủ tại một buổi dã ngoại.
Trong phần chính của phim, chúng ta đi từ buổi dã ngoại đến những phạm vi bao la của không
gian, làm thay đổi quy mô khoảng cách bởi những bước nhảy của sức mạnh của số 10. Sau khi đạt
tới kích thước của vũ trụ quan sát được, ở 1024 m, tầm nhìn thu nhỏ trở lại với kẻ dã ngoại và đi
vào tay anh ta, cuối cùng giảm xuống tới cấp độ của một hạt nhân nguyên tử carbon, ở kích thước
10–16 m.
Câu chuyện bo mạch chủ của máy tính tương lai với một chip lượng tử tích hợp vào một mạch tích hợp
chun.
Các cảnh của bộ phim đã khắc sâu vào tâm trí tôi thành những kỉ niệm sâu sắc. Nhớ lại khi
đó, tôi đã suy nghĩ về cỡ độ lớn trong tự nhiên hàng tuần sau đó. Đối với tôi, bộ phim sống động
144 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
không thể nào quên này đã làm sáng tỏ sức mạnh của sự hình dung trong việc truyền tải các khái
niệm khoa học trừu tượng.
Phiên bản được nêu ra sau cùng của bo mạch chủ trong “Câu chuyện bo mạch”.
Sự hình dung trong vật lí học đã có truyền thống lâu đời, nhất là ứng dụng của nó vào vật
lí học lượng tử. Vào đầu thế kỉ 20, các nhà tiên phong của cơ học lượng tử đã phải đối đầu với
việc thậm chí là giải thích nghiên cứu của họ cho các đồng nghiệp và thuyết phục họ về giá trị của
nó. Các khái niệm lượng tử thật lạ lẫm và dễ gây bàn cãi, đã làm dấy lên những cuộc tranh luận
sôi nổi giữa những người ủng hộ Niels Bohr và Albert Einstein. Sự hình dung khoa học, ở dạng
thức tưởng tượng hoặc các thí nghiệm “Gedanken”, hóa ra giữ vai trò quan trọng trong việc thúc
đNy nền vật lí lượng tử đến chỗ trưởng thành như minh họa bởi câu chuyện bi hài hết sức thuyết
phục của Erwin Schrödinger về con mèo trong cái hộp. “Kính hiển vi” của Werner Heisenberg là
một thí dụ nổi tiếng khác.
“Kính hiển vi” của Heisenberg lần đầu tiên nêu ra trong bài báo tận năm 1927 (Z. Phys. 43
172), nhằm giải thích nguyên lí bất định mang tên ông. Heisenberg xét cơ cấu rất đơn giản của
một kính hiển vi tia gamma có thể dò ra vị trí chính xác của một electron, với cái giá bù lại là làm
nhiễu xung lượng của nó. Mặc dù không thể thực hiện trên thực tế, nhưng việc chọn một kính
hiển vi tia gamma là hợp lí vì chỉ một trường điện từ bước sóng ngắn mới có thể phân giải chuyển
động điện tử bên trong nguyên tử.
145 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Các hình động ngắn lượng tử
Cách đây 5 năm, tôi đã trở lại Calgary để thành lập một nhóm thông tin lượng tử mới
trong khoa vật lí và thiên văn học để bổ sung cho nhóm điện toán lượng tử hiện có trong khoa
khoa học máy tính. Ngay đầu tiến trình, nhóm của tôi đã bắt đầu thu hút sự chú ý của đông đảo
cộng đồng đại học và của các cơ quan tài trợ quan tâm đến khoa học và công nghệ thông tin lượng
tử. Các đồng nghiệp của tôi và tôi đã đối mặt với thách thức lâu nay của việc truyền tải các thành
phần cơ bản của vật lí lượng tử đến đông đảo khán thính giả hơn. Được truyền cảm hứng bởi giá
trị của phương pháp Gedanken để giải thích các khái niệm khó, và bị mê hoặc bởi sức mạnh đang
phát triển nhanh chóng của hình động, chúng tôi bắt đầu tin rằng một kết hợp của cả hai sẽ là
phương pháp tốt nhất để giải thích bản chất của những nhiệm vụ mang tính thách thức nhất trong
ngành thông tin lượng tử.
Tôi bắt đầu kiểm nghiệm phương pháp này với sự hỗ trợ của các sinh viên của mình. Hình
động thứ nhất, thực hiện trong sự hợp tác với người trợ lí của tôi lúc ấy, Rolf Horn, liên quan đến
sự truyền thông lượng tử. Chúng tôi chọn thực hiện một hình động của sự truyền thông nổi tiếng
của trạng thái phân cực của một photon độc thân đến một photon khác, như đã trình diễn hồi năm
1997 bởi Anton Zeilinger và các đồng sự tại trường Đại học Innsbruck ở Áo. Các thí nghiệm
Innsbruck được tường thuật rộng rãi bởi các phương tiện truyền thông, và một hình động giải
thích giao thức nổi tiếng này và sự hiện thực hóa thực nghiệm của nó có vẻ như là một cơ hội tốt
để thử phương pháp mới này đối với sự hình dung của các công nghệ thông tin lượng tử.
Trước tiên, chúng tôi phát triển các phiên bản “nghiệp dư” của hình động, sau đó chúng
tôi trình diễn với các nhà làm hoạt hình chuyên nghiệp để tìm sự hợp tác có thể có. Sự hợp tác đầu
tiên như vậy đã xuất hiện vào năm 2003. Sau vài năm sáng tạo các phim thông tin lượng tử động,
chủ đầu tư của tôi cuối cùng đã cho phép tôi thu được sự ủng hộ tài chính quan trọng cho một
hình động điện toán lượng tử tân tiến.
Điện toán lượng tử là một nỗ lực học thuật đang phát triển nhanh chóng dành cho việc
phát triển các máy tính sẽ có thể giải quyết các nhiệm vụ nằm ngoài tầm với của các máy tính cổ
điển, như phân tích ra thừa số những con số cực lớn. Tiền cược thật cao và kết quả rất hứa hẹn,
nên việc tìm tài trợ không khó khăn như trong các lĩnh vực khoa học khác. Với sự hỗ trợ của các
nhà nghiên cứu Andrew Greentree, Lloyd Hollenberg và Ashley Stephens đến từ trường Đại học
Melbourne ở Australia và Austin Fowler thuộc trường Đại học Waterloo ở Canada, cộng với tài
năng khéo léo của các nhà làm hoạt hình chuyên nghiệp Andrew và Darran Edmundson thuộc
EDM Studio Inc. và chuyên gia audio Tim Kreger, chúng tôi đã tạo ra được hình động bốn phút
mang tựa đề “Máy tính lượng tử bán dẫn ở silicon” vào tháng 2/2007.
146 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Máy tính lượng tử: phim động
Trong khi sản xuất hình động, chúng tôi đã phỏng theo phương pháp “Sức mạnh của số 10”
của việc phóng to và thu nhỏ để trình bày một máy tính ở những cấp độ khác nhau. Chúng tôi
muốn làm sáng tỏ một máy tính như vậy sẽ trông như thế nào đối với người dùng của nó và các
thành phần của máy tính sẽ xuất hiện như thế nào nếu tách riêng nó ra. Chúng tôi sử dụng một
máy tính lai cấu tạo từ các bộ phận lượng tử và cổ điển bằng cách đưa một “chip lượng tử” vào
trong “chip cổ điển”. Chúng tôi thận trọng thể hiện các phức hợp lượng tử như điện tử học phức
tạp cần thiết cho việc điều khiển chip lượng tử cộng với các bit lượng tử (hay qubit) và chính các
cổng lượng tử. Phương pháp đa cấp độ sử dụng zoom để chỉ ra mối tương quan giữa những khái
niệm này.
Hình mô tả một nguyên tử phôtpho nhúng trong một mạng tinh thể silicon với một đám mây electron xung quanh. Hình bên trái:
phiên bản của đội khoa học. Hình bên phải: phiên bản thực.
Việc sáng tạo một sự hình dung cho khoa học hay công nghệ đòi hỏi làm chủ sự cân bằng
mong manh giữa độ chính xác khoa học và yêu cầu thNm mĩ. Thật vậy, thương lượng giữa các nhà
khoa học và những người làm hoạt hình có thể mất nhiều thời gian và tốn kém hơn so với bản
thân quá trình lập hình động. Toàn bộ đội phải thảo luận và nhất trí về các biểu trưng thị giác và
định thời gian trước khi các hình động chất lượng chuyên nghiệp được thực hiện, nếu không thì
các hình động đáng giá và tiêu tốn thời gian sẽ bị bác bỏ.
Trong ngành khoa học thông tin lượng tử, qubit là thành phần lôgic cơ bản và tương tự
như bit, hay bit nhị phân, của các máy tính cổ điển. Sự khác biệt là một bit chỉ có thể nhận giá trị
0 và 1, còn một qubit có thể nhận trạng thái lôgic 0, trạng thái lôgic 1, hay bất kì sự chồng chất
nào của hai trạng thái đó. Về phương diện vật lí, qubit có thể xem là một hạt spin 1/2 như một
electron, với một trạng thái up và một trạng thái down.
147 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Một trong những thách thức mà chúng tôi đối mặt liên quan đến việc mô tả qubit “thực”
và môi trường của nó đồng thời thể hiện trạng thái lôgic lượng tử của nó. Chúng tôi đã chọn biểu
diễn qubit là một điểm trên một hình cầu, đó là tiêu chuNn trong ngành thông tin lượng tử. Trạng
thái lôgic 0 ứng với cực bắc và trạng thái lôgic 1 ứng với cực nam, với mỗi điểm khác trên hình
cNu biểu diễn một sự chồng chất của các “trạng thái cực” này.
Đối với loại máy tính lượng tử silicon trong hình động của chúng tôi, sự hiện thực hóa vật
lí của qubit là spin của electron ngoài cùng của một nguyên tử phôtpho-31 nhúng trong khối môi
trường silicon-28. Để làm cho qubit và trạng thái lượng tử của nó có ý nghĩa, chúng tôi cần phải
thể hiện đồng thời electron trong môi trường và trạng thái của spin electron.
Hình động phóng to vào môi trường khối chất và thể hiện cấu trúc mạng silicon cộng với
một nguyên tử phôtpho nhúng trong môi trường. Nguyên tử phôtpho-31 trông giống như một mặt
trời trong thiên hà kiểu mạng của silicon-28. Để thể hiện electron của nguyên tử phôtpho, chúng
tôi sử dụng miêu tả chuNn của các quỹ đạo electron là những đám mây. Đám mây đó khá lớn và
trải rộng trên cấu trúc mạng silicon theo mọi hướng. Tương tác giữa đám mây electron và mạng
silicon mang lại các vân giao thoa trong cấu trúc mây.
Phiên bản được nêu ra sau cùng của hình ảnh trong “[hững cái nhìn khác”.