Hiểu biết công nghệ lượng tử: Nâng cao nhận thức và chính sách

Nhiều chính phủ và công ty công nghệ đang đầu tư mạnh vào công nghệ lượng tử. Tại New Zealand, Viện Công nghệ Tiên tiến cũng được kỳ vọng tập trung vào lĩnh vực nghiên cứu này.

Khi công nghệ lượng tử phát triển, chúng tôi cho rằng kiến thức lượng tử trở nên thiết yếu để thảo luận có hiểu biết và xây dựng chính sách về các tác động sâu rộng tiềm năng của chúng.

Công nghệ lượng tử phát triển dựa trên cơ học lượng tử, lý thuyết nền tảng giải thích cấu trúc của vật chất và đã cho phép thiết kế nhiều thiết bị hữu ích như transistor, vi mạch và laser.

Thuật ngữ “lượng tử” xuất phát từ nhà vật lý người Đức Max Planck, người đã đề xuất rằng năng lượng chỉ tồn tại ở những gói rời rạc, hay quanta.

Khi nguyên tử hấp thụ hoặc phát xạ các lượng tử năng lượng, chúng chuyển giữa các mức năng lượng lượng tử hóa. Công nghệ mới sử dụng tính chất lượng tử của các mức này để phát triển máy tính siêu nhanh, cảm biến chính xác và mã hóa nâng cao.

Một trong những thành phần then chốt của hầu hết mọi loại công nghệ lượng tử là hiện tượng gọi là “rối lượng tử”. Nó có những hệ quả rất kỳ lạ mà Albert Einstein từng gọi là “hành động ma quái từ xa”. Đối với người không chuyên, khái niệm này thường gây tò mò hoặc khó hiểu.

Các khái niệm cơ học lượng tử đôi khi được lồng ghép – và đôi khi bị hiểu sai – trong văn hóa đại chúng.

Rối lượng tử cũng không tránh khỏi điều này. Một số nhà văn khoa học viễn tưởng đã sử dụng nó như một chiêu thức làm cho những điều không thể trở nên có vẻ khả thi.

Ví dụ, trong tiểu thuyết ba phần Ba Thân của Liu Cixin, một nền văn minh ngoài hành tinh sử dụng các cặp hạt rối lượng tử để duy trì thông tin liên lạc nhanh hơn ánh sáng với Trái Đất. Để rõ ràng, điều này không thể.

Rối lượng tử không thể vượt qua giới hạn tốc độ ánh sáng, nhưng nó vẫn có thể làm một số điều kỳ diệu. Điều này bao gồm các cảm biến tăng cường lượng tử để cải thiện ứng dụng trong y học và giám sát môi trường, cùng với các phép đo chính xác như thiết bị dò sóng hấp dẫn LIGO.

Máy tính lượng tử cũng có thể giải quyết một số vấn đề gần như không thể giải quyết trên máy tính cổ điển, chẳng hạn như mô phỏng cơ chế gấp protein.

Và mật mã lượng tử sẽ bảo vệ thông tin tốt hơn bằng cách cung cấp các giao thức mã hóa chống nghe lén – đồng thời cũng có thể phát hiện động đất từ xa.

Thế giới lượng tử kỳ thú

Rối lượng tử chỉ hoạt động với các hệ lượng tử và thể hiện rõ nhất khi chỉ có hai mức năng lượng.

Máy tính cổ điển lưu thông tin dưới dạng bit, mỗi bit có thể là 0 hoặc 1. Trong máy tính lượng tử, các bit được thay bằng “qubit”, mỗi qubit có hai mức năng lượng thường ký hiệu là |0⟩ và |1⟩.

Không giống bit cổ điển, qubit có thể ở trạng thái “chồng chất”, có nghĩa là nó có thể đồng thời là |0⟩ và |1⟩ cho đến khi một quan sát viên đo trạng thái.

Việc đo thu được giá trị 0 hoặc 1, phụ thuộc vào tỷ lệ đóng góp của hai trạng thái trong chồng chất. Sau khi đo, qubit sẽ chuyển thành trạng thái tương ứng là |0⟩ hoặc |1⟩.

Để thảo luận về rối lượng tử, ta cần ít nhất hai qubit ở trạng thái rối. Ta dùng trạng thái được mô tả toán học là |Φ+⟩.

Giả sử có hai kỹ sư lượng tử—Alice và Bob—mỗi người giữ một qubit và di chuyển ra xa. Khi họ đo qubit của mình, cả hai sẽ thu được 0 hoặc 1 với xác suất bằng nhau.

Cuối cùng, khi so sánh kết quả từ nhiều cặp qubit rối trong cùng trạng thái |Φ+⟩, Alice và Bob nhận thấy mỗi lần Alice đo được 0, Bob cũng đo được 0, và tương tự với 1. Kết quả hoàn toàn có tương quan, dù trạng thái trước đó không xác định.

Khi đo nhiều cặp qubit rối trong trạng thái |Φ+⟩, kết quả là chuỗi ngẫu nhiên 0s và 1s có tương quan hoàn hảo. CC BY-SA

Đóng góp của New Zealand

Chúng tôi đã minh họa rối lượng tử với cặp qubit, nhưng về cơ bản, rối lượng tử có thể xảy ra giữa nhiều hệ vật lý, và đây là lĩnh vực các nhà nghiên cứu New Zealand đang đóng góp quan trọng.

Siêu dẫn là hiện tượng vật liệu không có điện trở khi làm lạnh dưới nhiệt độ nhất định và đồng thời đẩy từ trường ra ngoài. Chúng hữu ích để tạo nam châm mạnh.

Trong chất siêu dẫn, điện tử tạo cặp entangled gọi là cặp Cooper. Một nhóm nghiên cứu đã đề xuất phương pháp chiết xuất cặp electron rối này và truyền tính rối lên photon, tức lượng tử ánh sáng.

Một nhóm khác đã thành công trong việc rối lượng tử hai nguyên tử được làm lạnh gần độ không tuyệt đối.

Để mở rộng nghiên cứu và xây dựng ngành công nghiệp dựa trên công nghệ lượng tử, chúng ta cần đầu tư chiến lược để hình thành lực lượng lao động sẵn sàng với công nghệ lượng tử. Không chỉ đóng góp và tận dụng nỗ lực toàn cầu, chúng ta còn phải nâng cao kiến thức lượng tử ở mọi tầng lớp xã hội – bắt đầu từ trường học.