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
Trang 1Nhìn 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
Trang 2không 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
Trang 3Các 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
Trang 4Máy 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
Trang 5Một 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”
Trang 6Việc mô tả sự giam thoa mây về cơ bản là do tầm quan trọng của sự chồng lấn giữa mật
độ electron và hạt nhân Từ trường phân ra khắp máy tính lượng tử nên việc điều khiển cá lẻ trạng thái spin lượng tử, đóng vai trò qubit, yêu cầu sự tiến động của một electron của nguyên tử còn các electron khác thì không đổi Sự điều khiển trực tiếp này chỉ có thể thực hiện bằng cách tạo ra điện trường cục bộ thông qua các bản kim loại trên bề mặt lân cận của chip silicon Điện trường làm bóp méo đám mây electron, như chúng tôi đã thể hiện trong hình động của mình, và sự biến dạng làm biến đổi sự chồng chất của đám mây electron với hạt nhân nguyên tử Sự hình dung ra đám mây electtron và sự biến dạng của nó giúp người xem hiểu được làm thế nào có thể điều khiển được từng spin electron cá lẻ Đám mây electron chuyển tải tới người xem sự phân bố vị trí của electron quay xung quanh phôtpho-31, nhưng trạng thái spin cũng phải được thể hiện tốt: các khía cạnh thông tin lượng tử phải được miêu tả đồng hành với vật lí học Như đã trình bày ở phần trước, trạng thái spin có thể biểu diễn bằng một điểm trên một hình cầu Chúng tôi làm như vậy bằng cách đặt một vật kiểu hành tinh ở gần “mặt trời” phôtpho thể hiện trạng thái spin của nó
Qubit đó được tạo ra và điều khiển bằng cách thiết đặt cả từ trường toàn cầu và điện trường cục bộ Chúng tôi thể hiện điện trường là các đường mờ nhạt trải rộng trong môi trường chất rắn và miêu tả sự tiến động của trạng thái spin của electron trên hành tinh là một phản ứng với việc thiết đặt của những từ trường này Điện trường được dùng để làm biến đổi “sự phân tách siêu tinh tế” của một nguyên tử sao cho qubit spin điện tử của nó có thể xử lí riêng lẻ
Đồng thời, chúng tôi thể hiện điện trường là những đường màu xanh uốn cong phát ra từ những cấu trúc kim loại nhỏ trên bề mặt Điện trường đó làm cho đám mây electron thay đổi hình dạng, và sự thay đổi hình dạng này làm biến đổi sự chồng chất của đám mây với hạt nhân phôtpho-31, do đó làm biến đổi sự phân tách siêu tinh tế Sự tiến động của spin electron thật phức tạp bởi sự có mặt của cả từ trường và điện trường, và chúng tôi miêu tả sự phức tạp này bằng cách thể hiện quỹ đạo của điểm biểu diễn spin qubit trên “quả cầu hành tinh”
Điều khiển qubit chỉ là một bước trong điện toán lượng tử Trong hình động, chúng tôi thể hiện hai qubit và áp dụng một cổng not điều khiển được, hay cổng or loại trừ, cho các qubit, đọc
ra các qubit này, và cách thức cổng not điều khiển được được thực hiện bởi 28 qubit trên một chuỗi 45 bước, trong một cảnh tôi gọi là “điệu vũ hiệu chỉnh sai số lượng tử” Trong từng bước, chúng tôi phải đưa ra các quyết định về cách thức kết hợp các thực thể vật lí và thực thể thông tin theo một cách vừa thNm mĩ vừa có ý nghĩa
Sức mạnh của sự hình dung
Việc hình dung ra kiến thức khoa học thật chẳng dễ dàng gì hay rẻ tiền, nhưng nó thật bổ ích và hữu dụng Các phim động là những công cụ có giá trị lớn đối với việc giải thích những khái niệm khó, trừu tượng, ví dụ như điện toán lượng tử, trong lớp học Thật không may, lúc sản xuất
Trang 7ra, bộ phim của chúng tôi không được công bố rộng rãi, nhưng các đoạn của nó bây giờ có thể xem qua một bài báo trên số tháng 12/2008 của tờ [ew Journal of Physics (10 125005), và nó đang được sử dụng bởi các đối tác Trung tâm Công nghệ Máy tính Lượng tử Australia, cả trong lớp dạy của tôi ở Calgary Bộ phim cũng có mặt là một phần của khóa học hè về thông tin lượng
tử, trong đó có Khóa Hè Thông tin Lượng tử Canada Lần thứ 8 ở Montreal năm 2008, và Khóa
Hè Quốc tế về Xử lí và Điều khiển Thông tin lượng tử tại trường Đại học quốc gia Ireland, Maynooth, năm 2007 Bộ phim động này cũng là một thí dụ của cách thức sử dụng sự hình dung trong tương lai để giúp miêu tả có hiệu quả các khái niệm khoa học phức tạp và các công nghệ phức tạp đang xuất hiện
Barry Sanders (Giám đốc Viện Khoa học Thông tin Lượng tử, Đại học Calgary, Canada)
Nguồn: Seeing the quantum world (Physics World, tháng 12/2008)
hiepkhachquay dịch
An Minh, ngày 06/12/2008
