Theo một nghiên cứu mới được công bố, máy tính lượng tử của Google vừa mới đạt được một bước đột phá chưa từng có, tạo ra một "tinh thể thời gian", khái niệm lý thuyết về một dạng tồn tại của vật chất. Bất chấp tên gọi của mình, tinh thể thời gian không hẳn giúp bạn tạo ra một cỗ máy thời gian, mà thay vào đó nó có thể mở đường cho việc tạo nên các máy tính lượng tử ổn định hơn, đáng tin cậy hơn và hữu ích hơn cho nhân loại.
Tinh thể thời gian là gì?
Lý thuyết về tinh thể thời gian được đề xướng vào năm 2012 bởi nhà khoa học Frank Wilczek. Nếu các tinh thể trong tự nhiên – ví dụ kim cương – được hình thành từ mạng lưới các nguyên tử liên kết với nhau theo một dạng biến đổi không gian tuần hoàn, khi chúng lặp đi lặp lại trong cấu trúc tinh thể.
Từ điều này, Wilczek đã hình dung về một vật thể gồm nhiều phần cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng, giống như một viên kim cương. Nhưng khi vật thể này bị phá vỡ tính đối xứng thời gian tịnh tiến (time-translation symmetry), nó sẽ trải qua các chuyển động tuần hoàn và quay trở lại cấu trúc ban đầu trong những khoảng thời gian đều đặn. Quan trọng hơn cả, vật thể này vận động ngay cả trong trạng thái năng lượng thấp nhất của chúng.
Tức là ngay cả khi đang ở trạng thái cơ bản – nơi không xuất hiện năng lượng, vật thể này vẫn có vận động bằng cách liên tục sắp xếp thẳng hàng những nguyên tử bên trong chúng, và lặp đi lặp lại theo một chu kỳ lặp liên hồi. Đó chính là lý do cho cái tên mà ông Wilczek đặt cho nó: Tinh thể thời gian.
Tính chất nghe có vẻ giống với một động cơ vĩnh cửu này khiến cho các nhà khoa học bất đồng về việc liệu một vật thể như vậy có thể tồn tại trong thực tế hay không khi nó đi ngược lại quy tắc các quy tắc nhiệt động lực học thông thường. Từ khi lý thuyết này ra đời cho đến nay, nhiều nghiên cứu đã nỗ lực tạo nên tinh thể thời gian ở các cấp độ khác nhau nhưng đều chưa thành công.
Làm được điều không thể
Thế nhưng trong một nghiên cứu mới được công bố, các nhà khoa học ở Google cùng với các nhà vật lý tại Đại học Princeton, Stanford và nhiều trường đại học khác, đã tuyên bố rằng, máy tính lượng tử của Google đã làm được điều mà nhiều người cho rằng bất khả thi này.
Theo lời giải thích từ trang Quanta Magazine, về cơ bản, một tinh thể thời gian tạo thành từ sự kết hợp 3 yếu tố cốt lõi. Đầu tiên là một dãy hạt với hướng quay bằng chiều quay từ tính riêng (hay còn gọi là spin). Ví dụ 4 hạt được xếp theo thứ tự quay lên, quay xuống, quay xuống và quay lên ở mức năng lượng thấp. Nhưng một can thiệp ngẫu nhiên có thể đưa các hạt này lên mức năng lượng cao hơn. Đây được gọi là trạng thái "bản địa hóa nhiều phần" (many-body localization).
Thứ hai là việc đổi hướng quay của tất cả các hạt này – về cơ bản là tạo ra một phiên bản phản chiếu của nó – còn được gọi là trật tự Eigenstate. Điều này tạo ra một trạng thái bản địa hóa nhiều phần thứ cấp.
Cuối cùng là ứng dụng từ laser. Tia laser sẽ tạo nên các chu kỳ chuyển đổi liên tục giữa các trạng thái này – từ bình thường sang trạng thái phản chiếu và sau đó lại trở lại bình thường – mà không làm tiêu hao năng lượng ròng từ tia laser. Điều này còn được biết đến với cái tên tinh thể thời gian Floquet, được đề xuất lần đầu vào năm 2016.
Trong khi đó máy tính lượng tử của Google có tên Sycamore được trang bị một con chip lượng tử 20 qubit, hay còn gọi các hạt lượng tử có kiểm soát – mỗi hạt lượng tử có thể duy trì 2 trạng thái 0 và 1 cùng lúc. Bằng cách tinh chỉnh mức độ tương tác giữa qubit riêng biệt, các nhà nghiên cứu có thể ngẫu nhiên hóa các tương tác này và tạo ra được nhiều trạng thái bản địa hóa nhiều phần. Sau đó năng lượng từ tia laser đưa các hạt này vào trạng thái phản chiếu của chính nó, mà không làm thay đổi chiều quay của hạt.
Bộ xử lý lượng tử của Google với các thiết bị siêu lạnh bên ngoài
Qubit của Google còn bao gồm các dải nhôm siêu dẫn. Mỗi dải có hai trạng thái năng lượng, được lập trình để biểu thị chiều quay lên hoặc quay xuống của mỗi qubit. Nhờ vào ưu điểm là khả năng tùy chỉnh mức độ tương tác giữa các qubit trong máy tính lượng tử Sycamore của Google, các nhà nghiên cứu có thể biến nó thành một tinh thể thời gian.
Các lập trình viên có thể ngẫu nhiên hóa cường độ tương tác của các qubit và sự ngẫu nhiên hóa này đã tạo ra các va chạm phá hủy giữa những qubit để cho phép tạo ra một dãy các qubit có chiều quay riêng – tương tự như yếu tố đầu tiên của tinh thể thời gian: trạng thái bản địa hóa nhiều phần.
Từ một dãy các qubit có spin riêng này, các nhà nghiên cứu tạo ra những cách sắp xếp khác nhau dựa vào chiều quay của chúng như: lên, xuống, xuống, lên và tương tự như vậy. Sau đó, họ dùng các xung vi sóng để đảo ngược chiều quay của các qubit này và tạo ra phiên bản phản chiếu của chúng.
Bằng cách chạy thử nghiệm hàng chục nghìn lần với mỗi cách sắp xếp khác nhau và đo lường trạng thái của các qubit sau khi chạy một quãng thời gian khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể quan sát rằng cấu hình chiều quay của cả hệ thống liên tục thay đổi qua lại giữa hai trạng thái bản địa hóa nhiều phần.
Bộ xử lý lượng tử của Google
Dấu hiệu của giai đoạn này diễn ra cực kỳ ổn định. Cách sắp xếp chiều quay của cả hệ thống vẫn được giữ nguyên ngay cả khi các xung vi sóng thay đổi. Các nhà nghiên cứu nhận thấy, các xung vi sóng không chỉ đảo ngược chiều quay của các qubit và đưa chúng lại trạng thái bình thường sau hai xung, mà việc thay đổi trạng thái này còn không hấp thụ hay làm tiêu tán năng lượng từ xung vi sóng của tia laser, khiến cho sự nhiễu loạn của hệ thống không thay đổi.
Điều này có ý nghĩa gì?
Trên thực tế, đây không phải lần đầu tiên một tinh thể thời gian Floquet được tạo ra. Ngày 5 tháng Bảy, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft của Hà Lan đã chế tạo được một tinh thể thời gian Floquet bằng từ các chiều quay của các nguyên tử carbon trong kim cương, thay vì các qubit trong bộ xử lý lượng tử. Tuy vậy, hệ thống của Delft nhỏ hơn và hạn chế hơn so với tinh thể thời gian trong bộ xử lý lượng tử của Google.
Vẫn chưa rõ ứng dụng thực tế của tinh thể thời gian Floquet này là gì, nhưng theo một lý thuyết của nhà nghiên cứu Normal Yao, sự ổn định của hệ thống này hứa hẹn tạo ra một bộ nhớ gần như hoàn hảo cho máy tính lượng tử.
Do trạng thái lượng tử của bộ xử lý lượng tử đặc biệt dễ bị gián đoạn do các biến động bên ngoài, trong khi đó, các tinh thể thời gian lại có khả năng giữ nguyên cấu hình của mình ngay cả trong những thay đổi về dao động của xung vi sóng. Tuy nhiên đây vẫn chỉ là một lý thuyết và chưa có gì hoàn toàn chắc chắn về điều này. Chính vì vậy, việc tạo ra một tinh thể thời gian ổn định từ máy tính lượng tử của Google sẽ mở đường cho tìm ra các ứng dụng thực tế của nó trong tương lai.