Các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu khoa học Weizmann (Israel) vừa công bố bằng chứng thực nghiệm mới cho thấy có sự tồn tại của một hệ hạt lượng tử có khả năng “ghi nhớ” các trạng thái trước đó, được xem là bước tiến quan trọng hướng tới việc phát triển máy tính lượng tử có khả năng tự chống lỗi.
Nghiên cứu được nhóm nhà khoa học do Tiến sĩ Yuval Ronen đứng đầu thực hiện và được đăng trên tạp chí khoa học uy tín Nature (Anh) đã cung cấp thêm bằng chứng về sự tồn tại của các anyon phi Abel (non-Abelian anyons) – những hạt “kỳ lạ” được giới khoa học coi là nền tảng lý tưởng cho công nghệ tính toán lượng tử thế hệ mới.
Theo nhóm nghiên cứu, các anyon phi Abel chỉ xuất hiện trong những điều kiện cực đoan như nhiệt độ gần độ 0 tuyệt đối, từ trường mạnh và trong các hệ vật liệu hai chiều siêu mỏng. Trong nghiên cứu lần này, các nhà khoa học đã quan sát hiện tượng trên trong graphene 2 lớp – vật liệu carbon siêu mỏng có các tính chất điện tử đặc biệt.
Cận cảnh một mẫu máy tính lượng tử của Microsoft. Ảnh minh hoạ: Microsoft Cloud Blog
Khác với các hạt quen thuộc như boson hay fermion, anyon phi Abel có đặc điểm nổi bật là trạng thái sóng thay đổi tùy theo thứ tự hoán đổi vị trí, cho phép hệ hạt lượng tử “ghi nhớ” tương tác. Đặc tính này tạo ra khả năng lưu trữ và xử lý thông tin theo cách phân tán trên toàn hệ, giúp dữ liệu ít bị ảnh hưởng do nhiễu môi trường – một trong những thách thức lớn nhất của máy tính lượng tử hiện nay.
Tiến sĩ Ronen cho biết nhóm nghiên cứu của ông đã sử dụng một thí nghiệm giao thoa lượng tử, lấy cảm hứng từ các mô hình quang học cổ điển để theo dõi sự thay đổi của hàm sóng anyon khi chúng chuyển động quanh một vùng chứa từ trường và các hạt khác. Kết quả cho thấy sự tồn tại của các hạt mang điện tích phân số có mẫu số chẵn – dấu hiệu đặc trưng của anyon phi Abel.
Đáng chú ý, các nhà khoa học đã phát hiện ra hiện tượng tương tác cho thấy trong hệ hạt lượng tử “ghi nhớ” có các hạt mang điện tích bằng 1/4 electron, phù hợp với các dự đoán dựa vào lý thuyết trước đây về anyon phi Abel, đồng thời củng cố các kết quả đo gián tiếp từng được thực hiện tại Viện Weizmann.
Theo các chuyên gia, việc chứng minh được sự tồn tại và đặc tính “ghi nhớ” của anyon phi Abel là một trong những rào cản khoa học lớn cuối cùng đối với máy tính lượng tử bền lỗi (fault-tolerant) – loại máy tính được kỳ vọng có thể giải quyết những bài toán mà máy tính cổ điển không thể xử lý, từ mô phỏng phản ứng hóa học phức tạp đến dự báo khí hậu có độ chính xác cao.
Nhóm nghiên cứu trên cho biết, bước tiếp theo của họ sẽ là tìm cách quan sát trực tiếp cơ chế “ghi nhớ” của hệ anyon, qua đó tiến gần hơn tới việc hiện thực hóa các qubit topo – nền tảng của máy tính lượng tử ổn định và đáng tin cậy trong tương lai.
