Máy tính lượng tử mô phỏng vật chất “xuất hiện” từ năng lượng ra sao?

Trong thí nghiệm do Duke Quantum Center dẫn dắt, chuỗi 13 ion không thật sự sinh ra quark hay tạo vật chất từ khoảng không. Nó được lập trình để mô phỏng một quá trình tương tự: khi liên kết giữa hai thành phần bị kéo căng, năng lượng tích tụ có thể đạt mức khiến một cặp hạt-phản hạt mới xuất hiện và liên kết ban đầu bị đứt. Hiện tượng này được gọi là string breaking, hay sự đứt “dây” liên kết. [1]

Điểm đáng chú ý nằm ở cách một hệ lượng tử có thể bắt chước động lực học vốn gắn với điều kiện năng lượng cực cao. Thay vì cố tái tạo trực tiếp môi trường sau Big Bang hoặc bên trong máy gia tốc hạt, các nhà nghiên cứu mã hóa những quan hệ vật lý cần khảo sát vào các ion bị giữ và quan sát hệ tiến triển theo thời gian. [1]

Vì sao không thể kéo hai quark tách rời?

Quark là thành phần cơ bản tạo nên những hạt như proton và neutron. Trong điều kiện thông thường, chúng không xuất hiện như những vật thể cô lập để có thể lấy riêng ra quan sát. Khi hai quark liên kết bị kéo xa nhau, tình huống không giống việc tách hai viên bi vốn chỉ cần thắng một lực hút giảm dần theo khoảng cách. Năng lượng của trường liên kết giữa chúng tiếp tục tăng khi khoảng cách lớn hơn. [1]

Có thể hình dung liên kết ấy như một sợi dây vô hình đang bị kéo căng, nhưng đây chỉ là phép so sánh: không có sợi dây vật chất nằm giữa các quark. “Dây” là cách biểu diễn vùng liên kết mang năng lượng. Vì thế, kéo mạnh hơn không nhất thiết dẫn đến kết quả là hai quark đứng riêng lẻ ở hai đầu; hệ có thể chuyển sang một cấu hình khác trước khi điều đó xảy ra. [1]

Năng lượng biến thành cặp hạt-phản hạt như thế nào?

Khi năng lượng tích tụ trong liên kết đủ lớn, hệ có thể dùng năng lượng đó để hình thành thêm một cặp hạt-phản hạt. Quan hệ giữa khối lượng và năng lượng được thể hiện bằng công thức E=mc²: khối lượng của các hạt mới tương ứng với một lượng năng lượng, chứ vật chất không xuất hiện mà không có nguồn cung cấp. Năng lượng vốn nằm trong cấu hình bị kéo căng được chuyển sang một trạng thái có các hạt mới. [1]

Kết quả không phải một cặp ban đầu bị kéo thành hai quark cô lập. Thay vào đó, “dây” liên kết đứt khi cặp hạt-phản hạt mới hình thành, rồi các thành phần sắp xếp lại thành những cặp liên kết mới. Cụm từ “xuất hiện từ hư vô” vì vậy dễ gây hiểu nhầm: điều được mô tả là sự chuyển đổi năng lượng thành khối lượng trong một hệ tuân theo các quy luật lượng tử. [1]

Chuỗi 13 ion đã bắt chước quá trình ấy ra sao?

Nhóm nghiên cứu mã hóa một mô hình đứt dây vào chuỗi gồm 13 ion bị giữ. Các chùm laser được điều khiển cẩn thận để thay đổi cách những ion tương tác với nhau. Các ion không phải là quark thật về mặt vật lý; chúng đại diện cho các biến số trong mô hình, tương tự cách những phần tử trong một mô hình thu nhỏ đại diện cho một hệ lớn hơn. [1]

Lợi thế của nền tảng lượng tử là bản thân các ion cũng tuân theo cơ học lượng tử. Khi sự tương tác giữa chúng được thiết kế phù hợp, diễn biến của cả chuỗi có thể tương ứng với diễn biến toán học của hệ vật lý cần nghiên cứu. Máy không dựng một đoạn phim minh họa đã được tính sẵn, mà để trạng thái lượng tử tiến triển rồi đo kết quả của tiến trình đó. [1]

Các nhà nghiên cứu đã quan sát điều gì?

Hệ 13 ion được chuẩn bị ở trạng thái không cân bằng, nghĩa là nó chưa ổn định và sẽ thay đổi theo thời gian. Nhóm nghiên cứu theo dõi quá trình biến đổi, phát hiện sự xuất hiện của các điện tích hiệu dụng và tái dựng động lực học tương ứng với hiện tượng đứt dây trong mô hình. “Điện tích hiệu dụng” ở đây là đại lượng đại diện trong mô phỏng, không phải tuyên bố rằng máy đã sản xuất các hạt cơ bản thật. [1]

Cùng một mô hình còn được tính bằng máy tính cổ điển để đối chiếu. Ở quy mô nhỏ này, kết quả tính cổ điển phù hợp với kết quả từ hệ ion. Sự trùng khớp giúp kiểm tra rằng bộ mô phỏng đang vận hành theo mô hình dự kiến, nhưng cũng cho thấy thí nghiệm 13 ion chưa vượt khỏi khả năng của máy tính thông thường. [1]

Vì sao vẫn cần máy mô phỏng lượng tử?

Những bài toán lượng tử trở nên khó khi số thành phần và số khả năng tương tác tăng lên. Máy tính cổ điển phải biểu diễn trạng thái lượng tử bằng dữ liệu thông thường; với các hệ lớn và phức tạp hơn, lượng tính toán có thể tăng rất nhanh. Một thiết bị lượng tử có thể dùng chính trạng thái lượng tử của phần cứng để tái hiện hệ cần khảo sát, mở ra khả năng tiếp cận những phiên bản mà phương pháp cổ điển khó xử lý. [1]

Thí nghiệm này mới tái hiện một mô hình tương tự của string breaking, không tái tạo toàn bộ vật lý quark hay vũ trụ sơ khai. Giá trị của nó nằm ở việc chứng minh rằng động lực học tạo cặp hạt-phản hạt có thể được mã hóa, điều khiển và theo dõi trên phần cứng ion bị giữ. Nếu các hệ như vậy được mở rộng, chúng có thể giúp khảo sát những câu hỏi về vật chất trong điều kiện cực đoan mà phòng thí nghiệm khó tạo ra trực tiếp. [1]

Cách nhìn chính xác nhất vì thế không phải “máy tính đã tạo vật chất từ hư vô”, mà là “máy tính đã dựng một hệ lượng tử có hành vi toán học tương tự quá trình năng lượng chuyển thành cặp hạt-phản hạt”. Sự khác biệt này không làm thí nghiệm kém thú vị. Trái lại, nó cho thấy một cỗ máy gồm các ion và laser có thể trở thành công cụ để nghiên cứu những quy luật nằm rất xa trải nghiệm hằng ngày. [1]