Máy tính lượng tử giải quyết vật lý hạt cơ bản chưa từng được khám phá

Các hạt hạ nguyên tử như các hạt quark có thể kết cặp với nhau khi liên kết bằngcác “dây” của các trường lực — và sẽ giải phóng năng lượng khi các dây này bị kéo đến đến điểm đứt gãy. Hiện nay, hai nhóm vật lý đã sử dụng máy tính tăng cường lượng tử để bắt chước hiện tượng này và quan sát nó trong thời gian thực.

Kết quả này, được mô tả trong hai bài báo xuất bản trên tạp chí Nature ngày 4 tháng 6, là những đột phá mới nhất trong nỗ lực sử dụng máy tính lượng tử để mô phỏng các hiện tượng mà máy tính thông thường không thể đủ năng lực xử lý.

“Các dây bị phá vỡ là một quá trình rất quan trọng nhưng vẫn chưa được hiểu một cách đầy đủ từ các nguyên lý ban đầu,” nhà vật lý Christian Bauer tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (LBNL), bang California, cho biết. Các nhà vật lý có thể tính toán được những kết quả cuối cùng của các va chạm hạt làm hình thành hoặc phá vỡ các dây bằng máy tính cổ điển, nhưng vẫn không thể mô phỏng đầy đủ những gì diễn ra trong quá trình đó. Vì vậy, thành công của các mô phỏng lượng tử này “rất đáng khích lệ,” Bauer nói.

Mỗi thí nghiệm do một nhóm hợp tác quốc tế thực hiện, bao gồm các nhà nghiên cứu thuộc giới hàn lâm và các nhà nghiên cứuở các công ty công nghệ — một nhóm tại QuEra, một công ty khởi nghiệp ở Cambridge, Massachusetts; nhóm còn lại ở các phòng thí nghiệm Google Quantum AI tại Santa Barbara, California.

Nhóm nghiên cứu sử dụng máy tính Aquila của QuEra đã mã hóa thông tin trong các nguyên tử được sắp xếp theo hình tổ ong 2D, mỗi nguyên tử được cố định vị trí bằng một "nhíp quang học" riêng. Trạng thái lượng tử của từng nguyên tử — được gọi là “qubit”, có thể ở trạng thái bị kích thích hoặc cân bằng - đại diện cho điện trường tại một điểm trong không gian, theo lời giải thích của đồng tác giả Daniel González-Cuadra, hiện đang làm việc tại Viện Vật lý Lý thuyết ở Madrid.

Trong thí nghiệm còn lại, các nhà nghiên cứu đã mã hóa trường lượng tử 2D trong các trạng thái vòng siêu dẫn trên chip Sycamore của Google.

Hai nhóm nghiên cứu áp dụng hai triết lý mô phỏng lượng tử hoàn toàn trái ngược nhau. Các nguyên tử ở Aquila được sắp xếp sao cho lực điện tĩnh giữa chúng có thể mô phỏng hành vi của điện trường và tiến hóa một cách liên tục đến trạng thái năng lượng thấp hơn của riêng chúng — cách tiếp cận này được gọi là mô phỏng lượng tử tương tự (analog). Trong khi đó, cỗ máy của Google hoạt động như một mô phỏng lượng tử 'số': các vòng siêu dẫn được tạo ra để theo sát sự tiến hóa của trường lượng tử "bằng tay", thông qua một chuỗi các thao tác rời rạc.

Ở cả hai thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã thiết lập các dây trong trường mà đóng vai trò như dây cao su nối hai hạt. Tùy thuộc vào cách điều chỉnh các tham số, những sợi dây này có thể trở nên cứng, rung lắc, hoặc bị phá vỡ. “Trong một số trường hợp, toàn bộ dây tan biến: các hạt không còn bị giam hãm nữa,” Frank Pollmann - nhà vật lý tại Đại học Kỹ thuật Munich, người đồng dẫn dắt thí nghiệm của Google, giải thích.

Dù việc mô phỏng các dây trong điện trường 2D có thể mang lại có nhiều ứng dụng cho nghiên cứu vật lý vật liệu, nhưng vẫn còn một con đường dài đến việc mô phỏng đầy đủ các tương tác năng lượng cao như những tương tác vẫn xuất hiện trong các máy gia tốc hạt — vốn diễn ra trong không gian 3 chiều và bao gồm lực hạt nhân mạnh còn phức tạp hơn nhiều. “Hiện tại, chúng tôi vẫn chưa có lộ trình rõ ràng để đạt tới điều đó,” theo lời Monika Aidelsburger - nhà vật lý tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Munich.

Tuy nhiên, kết quả mới vẫn rất đáng phấn khởi, và tiến triển của mô phỏng lượng tử nhìn chung “thật sự tuyệt vời và diễn ra rất nhanh chóng,” bà Aidelsburger nhận định.

Năm ngoái, Bauer cùng đồng nghiệp Anthony Ciavarella tại LBNL là một trong những nhóm đầu tiên bắt đầu mô phỏng lực hạt nhân mạnh trên máy tính tăng cường lượng tử. Một cách tiếp cận khác thay thế qubit bằng qudit - có thể biểu diễn nhiều hơn hai trạng thái lượng tử và có thể tái hiện một trường lượng tử thực tế hơn - có thể khiến cho các mô phỏng hiệu quả hơn, các nhà nghiên cứu cho biết.

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09051-6

https://www.nature.com/articles/d41586-025-01797-3

https://archive.is/DHwj3