Liệu có thể tích hợp đồng hồ siêu chính xác, bộ xử lý tính toán và thiết bị mô phỏng các quá trình vật lý vào trong cùng một hạt lượng tử? Các nhà vật lý tại phòng thí nghiệm JILA ở Boulder, phối hợp cùng các đồng nghiệp từ Đại học Innsbruck, đã chứng minh rằng điều này hoàn toàn khả thi. Họ đã chế tạo thành công một "đa công cụ" lượng tử dựa trên các nguyên tử ytterbium-171, có khả năng thay đổi vai trò chức năng theo lệnh của tia laser.
Cho đến nay, các công nghệ lượng tử vẫn phát triển theo các hướng song song độc lập. Trong khi một số nhà khoa học tập trung xây dựng các qubit để tính toán, số khác lại phát triển chúng để mô phỏng các hệ thống phức tạp, và nhóm thứ ba lại chế tạo đồng hồ quang học. Vấn đề nằm ở chỗ mỗi nhiệm vụ khác nhau lại đòi hỏi những đặc tính vật lý riêng biệt.
Nhóm nghiên cứu do Adam Kaufman dẫn dắt đã tìm ra một giải pháp đầy tinh tế. Họ sử dụng ba cặp trạng thái năng lượng của ytterbium vốn có chung một trạng thái "mỏ neo". Bằng cách chiếu các xung laser có tần số cụ thể vào nguyên tử, các nhà nghiên cứu có thể chuyển đổi tức thì sự chồng chập lượng tử từ chế độ này sang chế độ khác mà không làm mất dữ liệu.
Giờ đây, cùng một nguyên tử có thể đảm nhận đồng thời ba vai trò:
- Qubit hạt nhân: khai thác spin của hạt nhân vốn hầu như không nhạy cảm với các nhiễu loạn bên ngoài, giúp lưu trữ thông tin một cách tin cậy.
- Qubit Rydberg: được hình thành khi kích thích mạnh electron, cho phép các nguyên tử tương tác nhanh chóng với nhau để thực hiện các phép tính.
- Qubit quang học: tận dụng các mức năng lượng vốn được dùng trong đồng hồ nguyên tử, một yếu tố thiết yếu cho các phép đo lường với độ chính xác cực cao.
Trong các thí nghiệm, các nhà khoa học đã trình diễn trọn vẹn một chu trình làm việc. Họ đã liên kết tối đa 20 nguyên tử vào trạng thái rối và thực hiện các phép toán hai qubit với độ chính xác lên tới 99,78%. Nếu phát sinh lỗi trong quá trình chuyển đổi, hệ thống sẽ ghi nhận thông qua kiểm soát quang học và tự động loại bỏ các lần chạy không thành công.
Trong tương lai, tính linh hoạt này cho phép xóa nhòa ranh giới giữa tính toán lượng tử và đo lường chính xác. Các kỹ sư sẽ không còn phải đánh đổi giữa sự ổn định của hệ thống và tốc độ vận hành của nó. Việc tích hợp ba chế độ trong một nền tảng duy nhất có thể đẩy nhanh đáng kể sự ra đời của các máy tính lượng tử thực tiễn, có khả năng giải quyết các bài toán ứng dụng thực tế mà không cần thay đổi thiết bị phần cứng cồng kềnh.
