Kiểu qubit mới cho máy tính lượng tử?

Các nhà khoa học ở Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Mỹ (NIST) vừa tạo ra những chấm lượng tử (quatum dot) liên kết, có thể được sử dụng như các qubit (đơn vị thông tin cơ bản dành cho máy tính lượng tử).

Vấn đề là ở chỗ hành vi của các chấm lượng tử này không đồng nhất với cơ học lượng tử.

Hình ảnh tưởng tượng về chấm lượng tử.

Chấm lượng tử là khu vực không gian đủ nhỏ, trong đó thế năng của hạt bị cầm tù lớn hơn giá trị thế năng của môi trường xung quanh (hàng rào thế năng). Đó là những “hòn đảo” điện tích nhỏ, có hành vi giống như những nguyên tử nhân tạo.

Để lưu trữ thông tin, máy tính (computer) truyền thống sử dụng các bit nhị phân có 1 trong 2 giá trị (là 1 hoặc 0). Máy tính lượng tử, nếu xuất hiện, sẽ lưu trữ thông tin trong qubit (bit lượng tử). Các qubit có thể nhận đồng thời nhiều giá trị. Điều này làm biến đổi hoàn toàn khả năng của máy tính. Lúc này, máy tính có thể thực hiện các phép toán rất phức tạp, rất khó.

Ở gần chấm lượng tử đơn lẻ, các điện tử có thể di chuyển theo quỹ đạo như trong nguyên tử. Do đó, các hạt tích điện, theo phương trình Schrodinger, chỉ có thể chiếm các mức năng lượng được phép nhất định.

Trên mỗi mức năng lượng, điện tử có thể chiếm một loạt vị trí khả dĩ, tạo thành “quỹ đạo” với hình dạng được xác định bởi các nguyên lý lượng tử. Trong tình hình đó, cặp chấm lượng tử liên kết có thể chia sẻ điện tử với nhau, tạo thành qubit.

Các nhà khoa học ở NIST nhận được chấm lượng tử sau một quá trình rất phức tạp, dựa trên việc cho dòng điện chạy qua vật liệu graphene đặt trong một từ trường mạnh. Nhờ vậy, các điện tử tập trung trên 2 vòng tròn đồng tâm, cách nhau bởi một lớp vỏ mỏng, trống rỗng. Các điện tử này hành xử như các chấm lượng tử liên kết.

“Lần đầu tiên các nhà khoa học nghiên cứu sâu bên trong hệ thống chấm lượng tử liên kết” – nhà khoa học Daniel Walkup, người tham gia dự án, cho biết như vậy.

Trong lần nghiên cứu trước đó, cùng với graphene, các nhà khoa học đã sử dụng từ trường cường độ nhỏ hơn và tìm thấy cấu trúc vành, trông giống như cái bánh gato cưới, gắn trên chấm lượng tử đơn lẻ. Cấu trúc này là khởi đầu cho các vành lượng tử đồng tâm.

Bên cạnh phát hiện mới, cũng xuất hiện vấn đề nhỏ cần được giải thích: “Cách mà các điện tử được chia sẻ giữa hai chấm lượng tử liên kết, không thể giải thích được bằng các mô hình vật lý chấm lượng tử hiện hành” – ông Daniel Walkup cho biết.

Như vậy, các nhà khoa học sẽ phải giải mã bí mật này, nếu các chấm lượng tử liên kết được sử dụng như các qubit trong máy tính lượng tử.

Tuấn Sơn

Theo giaoducthoidai.vn