22:27 21 Tháng Tám 2018
Ilia Besedin, nhân viên Phòng thí nghiệm Siêu vật liệu siêu dẫn của MISiS

Các nhà khoa học tạo ra vật liệu "không thể có được" cho hệ thống máy tính lượng tử

© Ảnh : Press service of MISIS
Khoa học
URL rút ngắn
0 20

MOSKVA (Sputnik)- Một nhóm nghiên cứu có chuyên gia quốc tế từ Nga và Đức đã thực hiện bước đột phá trong lĩnh vực chế tạo loại vật liệu mới có tính chất mà không vật liệu tự nhiên nào có được.

Các nhà khoa học từ Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia MISiS (Nga), Đại học Karlsruhe (Đức) và Viện Công nghệ quang tử Jena (Đức) dưới sự lãnh đạo của Giáo sư Alexei Ustinov phụ trách Phòng Thí nghiệm Siêu vật liệu Siêu dẫn của Đại học MISiS lần đầu tiên trên thế giới tạo ra cái gọi là "qubit gương phản xạ" cũng như vật liệu lượng tử trên cơ sở đó. Đây là siêu vật liệu lượng tử đầu tiên trên thế giới có thể được sử dụng như một bộ phận điều khiển các mạch điện siêu dẫn. Kết quả của cuộc nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí "Nature Communications"

Siêu vật liệu — một loại vật chất nhân tạo, mà tính chất của nó phụ thuộc cấu trúc nhiều hơn là thành phần cấu tạo. Mỗi cấu trúc (chúng được gọi là "siêu nguyên tử") có kích thước hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm nanomet và có những đặc tính riêng mà những đặc tính này biến mất nếu nó được chia thành các thành phần.

Cho đến gần đây, một trong những khác biệt cơ bản giữa nguyên tử và siêu nguyên tử là ở chỗ: các đặc tính của nguyên tử thông thường được mô tả bởi phương trình cơ học lượng tử, còn các đặc tính của siêu nguyên tử được mô tả bởi phương trình vật lý cổ điển.

Việc chế tạo qubit (bộ phận nhỏ nhất để lưu trữ thông tin trong máy tính lượng tử) đã tạo khả năng phát triển một tài liệu mới bao gồm các siêu nguyên tử, mà tính chất của chúng chỉ có thể được mô tả bởi phương trình cơ học lượng tử. Tuy nhiên, công việc này đòi hỏi phải tạo ra những qubit đặc biệt.

Bức ảnh micro của chuỗi qubit gương. Phần dưới có độ phân giải 20 micron, phía trên - 5 micron. Hình tròn trên ảnh đánh dấu các tiếp giáp Josephson trong một qubit gương.
© Ảnh : Press service of MISIS
Bức ảnh micro của chuỗi qubit gương. Phần dưới có độ phân giải 20 micron, phía trên - 5 micron. Hình tròn trên ảnh đánh dấu các tiếp giáp Josephson trong một qubit gương.

"Qubit thông thường chỉ sử dụng ba tiếp giáp Josephson, — nhà nghiên cứu Kirill Shulga từ Phòng thí nghiệm "Siêu vật liệu siêu dẫn" của  MISiS giải thích. Còn "qubit gương phản xa" sử dụng năm tiếp giáp được bố trí đối xứng với trục trung tâm. Trong cuộc nghiên cứu này chúng tôi trước hết muốn tạo ra qubit gương với cấu trúc phức tạp hơn so với qubit siêu dẫn bình thường. Logic là rất đơn giản: trong các hệ thống nhân tạo phức tạp, viêc gia tăng số lượng bậc tự do làm tăng số lượng yếu tố có thể ảnh hưởng đến các đặc tính của nó. Bằng cách thay đổi những thông số của môi trường xung quanh siêu vật liệu, có thể bật và tắt các đặc tính này, để qubit gương từ trạng thái chính với những đặc tính nhất định chuyển sang trạng thái khác với những đặc tính khác".

Trong quá trình thí nghiệm các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng, tất cả các siêu vật liệu bao gồm những qubit gương đều có thể chuyển đổi giữa hai chế độ. Trong một chế độ, chuỗi qubit gương như vậy có khả năng dẫn truyền sóng điện từ rất tốt trong dải sóng vi ba, trong khi đó vẫn là một yếu tố lượng tử. Trong chế độ khác, pha siêu dẫn của chuỗi qubit gương quay 180 độ, và không cho sóng điện từ đi qua. Điều quan trọng là trong chế độ này nó vẫn là một hệ lượng tử.

"Hóa ra, với sự giúp đỡ của từ trường, vật liệu này có thể được sử dụng như yếu tố điều khiển các hệ thống truyền dẫn tín hiệu lượng tử (những photon) trong các mạch vào thành phần các loại máy tính lượng tử đang được phát triển tích cực", — kỹ sư Ilia Besedin, nhân viên Phòng thí nghiệm "Siêu vật liệu siêu dẫn" của MISiS nhận xét. "Đây là một trong những yếu tố chính trong các thiết bị điện tử siêu dẫn".

Việc dự toán chính xác các đặc tính của một qubit gương là phức tạp hơn so với qubit thông thường nếu sử dụng chiếc máy tính thông thường. Nếu cấu trúc của qubit gương trở thành phức tạp hơn gấp mấy lần thì có thể vượt giới hạn khả năng của máy tính điện tử hiện đại. Một cấu trúc phức tạp như vậy có thể được sử dụng như hệ thống mô phỏng lượng tử, tức là thiết bị có thể dự đoán và mô phỏng tính chất của một quá trình hay vật liệu cụ thể.

Các tác giả của cuộc nghiên cứu đã vận dụng nhiều lý thuyết để mô tả một cách chính xác các quá trình xảy ra trong siêu vật liệu lượng tử. Kết quả là bài báo khoa học "Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin flux qubits" được đăng tải trên tạp chí uy tín "Nature Communications".

Từ khóa:
Đại học tổng hợp nghiên cứu kỹ thuật quốc gia Nga MISiS, Các nhà khoa học
Tiêu chuẩn cộng đồngThảo luận
Bình luận trên FacebookBình luận trên Sputnik