Dùng máy tính lượng tử để tìm bản chất của vũ trụ
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng bộ xử lý lượng tử của Google để mô phỏng vật lý cơ bản, mở ra một phương pháp mới để nghiên cứu các hạt và lực cơ bản của vũ trụ.
Các lực cơ bản định hình vũ trụ của chúng ta được giải thích bằng những mô hình lý thuyết phức tạp. Những mô hình này rất khó để nghiên cứu vì việc mô phỏng chúng một cách chính xác nằm ngoài khả năng xử lý của các siêu máy tính truyền thống.
Máy tính lượng tử phát huy vai trò
Giờ đây, các nhà khoa học từ Đại học Kỹ thuật Munich (TUM), Đại học Princeton và Google Quantum AI đã chứng minh rằng máy tính lượng tử có thể trở thành một công cụ mạnh mẽ để khám phá lĩnh vực đầy thách thức này. Nó mở ra một cánh cửa để tìm hiểu về động lực học của các thành phần cơ bản nhất trong tự nhiên.
Chi tiết của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature, đánh dấu một bước tiến đáng kể trong điện toán lượng tử. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng thành công bộ xử lý lượng tử của Google để mô phỏng trực tiếp các tương tác cơ bản, làm nổi bật tiềm năng của công nghệ này trong việc tạo ra những khám phá trong tương lai.
Cách tiếp cận này có thể giúp các nhà khoa học khám phá những hiểu biết sâu sắc hơn về vật lý hạt, vật liệu lượng tử và thậm chí cả bản chất của không gian và thời gian. Trọng tâm của công trình này là mục tiêu hiểu rõ hơn về vũ trụ ở cấp độ cơ bản nhất, được mô tả thông qua các khuôn khổ toán học gọi là lý thuyết gauge.
Lý thuyết gauge là một trong những nền tảng quan trọng của Mô hình chuẩn (Standard Model) của vật lý hạt, giúp ta hiểu cách các lực cơ bản của vũ trụ hoạt động thông qua việc sử dụng các hạt truyền lực.
Thử nghiệm các quy tắc của vũ trụ trong phòng thí nghiệm
Michael Knap, đồng tác giả và Giáo sư về động lực học lượng tử tập thể tại Trường Khoa học tự nhiên TUM, cho biết: "Công trình của chúng tôi cho thấy máy tính lượng tử có thể giúp chúng tôi khám phá các quy tắc cơ bản chi phối vũ trụ của chúng ta như thế nào. Bằng cách mô phỏng những tương tác này trong phòng thí nghiệm, chúng tôi có thể kiểm tra các lý thuyết theo những cách mới".
Pedram Roushan, đồng tác giả của công trình này từ Google Quantum AI nhấn mạnh: "Bằng cách khai thác sức mạnh của bộ xử lý lượng tử, chúng tôi đã nghiên cứu động lực học của một loại lý thuyết gauge cụ thể và quan sát cách các hạt cùng với các "sợi dây" vô hình kết nối chúng tiến hóa theo thời gian".
Tyler Cochran, tác giả chính và là nghiên cứu sinh tại Princeton nói: "Bằng cách điều chỉnh các tham số hiệu quả trong mô hình, chúng tôi có thể điều chỉnh các thuộc tính của các sợi dây này. Chúng có thể dao động mạnh, bị giới hạn chặt chẽ, hoặc thậm chí bị đứt".
Tại sao máy tính lượng tử lại cần thiết?
Các nhà khoa học phải dùng máy tính lượng tử vì việc mô phỏng vật lý cơ bản ở cấp độ lượng tử vượt quá khả năng của siêu máy tính truyền thống. Vật lý cơ bản mô tả thế giới ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử, nơi các quy tắc của cơ học lượng tử chi phối. Ở cấp độ này, các hạt tồn tại trong trạng thái chồng chập và vướng víu phức tạp, không giống như thế giới vĩ mô chúng ta thấy hằng ngày.
Tính chất lượng tử: Một nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử là các hạt có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc (chồng chập lượng tử). Khi một hệ thống gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn hạt, số lượng trạng thái kết hợp có thể xảy ra sẽ tăng theo cấp số mũ.
Vượt quá khả năng tính toán: Để mô phỏng chính xác một hệ thống như vậy, một siêu máy tính truyền thống cần phải tính toán tất cả các trạng thái khả dĩ này. Điều này nhanh chóng vượt quá khả năng lưu trữ và xử lý của nó, ngay cả đối với một số lượng hạt tương đối nhỏ.
Sử dụng chính các nguyên tắc lượng tử: Máy tính lượng tử không gặp phải vấn đề này. Nó sử dụng các qubit (bit lượng tử) có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc, cho phép nó mô phỏng trực tiếp các hệ thống lượng tử phức tạp này mà không cần phải tính toán từng trạng thái riêng lẻ.
Nếu không dùng máy tính lượng tử thì sao?
Nếu không có máy tính lượng tử, các nhà khoa học vẫn có thể nghiên cứu vật lý cơ bản, nhưng sẽ phải dựa vào các phương pháp khác với nhiều hạn chế:
Mô hình hóa đơn giản hóa: Các nhà khoa học phải sử dụng những mô hình toán học đã được đơn giản hóa để giảm bớt độ phức tạp. Các mô hình này có thể cung cấp cái nhìn tổng quan, nhưng không thể nắm bắt được tất cả các tương tác và động lực học phức tạp của hệ thống thực tế.
Thử nghiệm thực tế: Các thí nghiệm thực tế tại các máy gia tốc hạt là phương pháp chính để nghiên cứu vật lý cơ bản. Tuy nhiên, các thí nghiệm này rất tốn kém và chỉ có thể đo lường một số thuộc tính nhất định, không thể cung cấp một "cái nhìn toàn cảnh" về cách các hạt tương tác.
Hạn chế về khám phá: Việc không thể mô phỏng chính xác các tương tác phức tạp có thể cản trở sự phát triển của các lý thuyết vật lý mới, chẳng hạn như tìm kiếm một lý thuyết thống nhất các lực cơ bản của vũ trụ.