MỘT MÁY VA CHẠM HẠT BÊN TRONG MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ

Từ lâu, va chạm đã là một trong những công cụ chính của vật lý để thăm dò cấu trúc bên trong của vật chất. Giờ đây các bộ mô phỏng lượng tử cho phép tiến hành va chạm trên phần cứng lượng tử, nơi cường độ tương tác có thể được điều chỉnh tùy ý, từ yếu đến rất mạnh.

Trong các vật liệu thực mà electron tương tác mạnh với nhau, va chạm giữa các chuẩn hạt (quasiparticle) — những kích thích tập thể hành xử như hạt — chi phối cách điện tích và năng lượng di chuyển. Thế nhưng chúng thường chỉ được nghiên cứu gián tiếp, qua quang phổ học. Một bộ mô phỏng lượng tử có thể tạo ra từng chuẩn hạt riêng lẻ, phóng chúng đi, và quan sát chúng va chạm trong không gian và thời gian.

Hai viên đạn trái ngược

Chan Bin Bark, Moon Jip Park và các đồng nghiệp tại Đại học Hanyang ở Seoul, Đại học Ajou ở Hàn Quốc và Đại học Bang Ohio ở Mỹ, đã chọn một mô hình kinh điển về các electron tương tác, mô hình Fermi-Hubbard. Các electron nhảy từ vị trí này sang vị trí khác dọc theo một chuỗi, và hai electron ở cùng một vị trí đẩy nhau với năng lượng U. Khi có đúng một electron trên mỗi vị trí, chuỗi trở thành một chất cách điện Mott.

Trên nền đó, hai loại kích thích có thể mang điện tích:

• một doublon, vị trí có hai electron;
• một holon, vị trí trống.

Chúng hành xử như một hạt và phản hạt của nó. Va chạm giữa các chuẩn hạt giống hệt nhau đã từng được nghiên cứu; còn va chạm giữa hai chuẩn hạt khác nhau, mỗi hạt được chuẩn bị riêng, thì chưa.

Dựng máy va chạm

Nhóm mã hóa một chuỗi 21 vị trí trên 42 qubit của bộ xử lý lượng tử siêu dẫn ibm_boston của IBM, hai qubit cho mỗi vị trí. Họ đặt một doublon ở một phía và một holon ở phía kia.

Để phóng chúng đi, trước hết họ tắt các bước nhảy về phía hai mép ngoài trong một khoảng thời gian ngắn, để mỗi kích thích chỉ có thể di chuyển về phía trung tâm — như một cổng xuất phát. Rồi họ khôi phục mọi bước nhảy và để hai bó sóng gặp nhau gần chính giữa.

Chạy những mạch như vậy trên phần cứng nhiều nhiễu ngày nay đòi hỏi sự cẩn trọng: họ chọn những qubit tốt nhất qua các phép thử sơ bộ, thực hiện 70.000 phép đo cho mỗi điểm dữ liệu, và dùng việc tổng số hạt phải giữ không đổi để sửa lỗi. Họ so sánh mọi thứ với một lời giải lý thuyết chính xác của mô hình, được gọi là ansatz Bethe, và với các mô phỏng trên máy tính cổ điển.

Xuyên qua, bật lại, hay cả hai

• Với lực đẩy yếu (U = 1), doublon và holon xuyên qua nhau và tiếp tục đi.
• Với lực đẩy mạnh (U = 7), chúng bật ngược lại. Để đổi chỗ, chúng sẽ phải đi qua một cấu hình trung gian tốn năng lượng U, nên chúng hành xử như những quả bóng cứng.
• Trong cả hai trường hợp, chúng rời đi nhanh như lúc đến: va chạm là đàn hồi.

Họ đo xác suất xuyên qua với lực đẩy từ 1 đến 8. Nó tuân theo lý thuyết chính xác mà không cần điều chỉnh tham số nào — theo các tác giả, đây là lần đầu tiên điều này được thực hiện với chuẩn hạt của mô hình này trên phần cứng lượng tử.

Nửa xuyên qua, nửa quay lại

Ở lực đẩy trung gian (U = 3,5), một điều bất thường xảy ra: điện tích gần như biến mất sau va chạm. Đo riêng doublon và holon cho thấy lý do. Không hạt nào biến mất — số doublon không giảm — nhưng mỗi hạt đã lan ra cả hai phía của chuỗi. Trạng thái đi ra trông như một hỗn hợp giữa “đã xuyên qua” và “đã bật lại” với tỉ lệ tương đương.

Một sự chồng chập như vậy làm vướng víu (entangle) nửa trái và nửa phải của chuỗi. Nhóm phát hiện điều này mà không cần tái dựng toàn bộ trạng thái lượng tử, bằng cách đo xem số hạt ở nửa trái dao động bao nhiêu từ lần chạy này sang lần chạy khác. Dao động lớn nhất ở chế độ trung gian.

Để đối chứng, họ thay holon bằng một doublon thứ hai. Hai doublon giống hệt nhau không thể đổi chỗ, và quả thật va chạm của chúng trông gần như y hệt ở mọi mức lực đẩy, với hầu như không có dao động.

Những gì còn phải chứng minh

Các tác giả thận trọng: phép đo của họ cho thấy cả hai kết cục đều hiện diện, và theo tỉ lệ nào, nhưng không trực tiếp chứng minh rằng hai kết cục chồng chập một cách kết hợp (coherent). Cách diễn giải đó dựa trên các định luật tiến hóa lượng tử và sự phù hợp với lý thuyết. Một thí nghiệm giao thoa có thể xác nhận điều này khi các mô phỏng dài hơn trở nên khả thi — vượt quá khung thời gian được nghiên cứu ở đây, ngay cả mô phỏng cổ điển cũng chật vật theo kịp.