Vật lý lượng tử lập kỷ lục: Trạng thái vật chất mới được chứng minh sau nửa thế kỷ

Theo Live Science, phát hiện này không chỉ xác nhận dự đoán của vật lý lý thuyết từ thế kỷ trước, mà còn hứa hẹn mở ra những ứng dụng đột phá trong máy tính lượng tử, cảm biến siêu chính xác và công nghệ truyền thông tương lai.

Pha lượng tử siêu bức xạ lần đầu được quan sát, mở ra triển vọng mới cho máy tính lượng tử và cảm biến - Ảnh: Getty

Hiện tượng được chờ đợi hơn nửa thế kỷ

Trong nghiên cứu công bố ngày 4.4 trên tạp chí Science Advances, các nhà khoa học đã lần đầu tiên ghi nhận được quá trình chuyển pha siêu bức xạ (Superradiant Phase Transition - SRPT), một hiện tượng lượng tử được dự đoán từ năm 1954 nhưng chưa từng được xác minh bằng thực nghiệm.

SRPT xảy ra khi các hạt lượng tử - cụ thể trong trường hợp này là các ion sắt và erbi - đồng loạt dao động trong trạng thái phối hợp mạnh, tạo ra một pha vật chất hoàn toàn mới. Để quan sát hiện tượng này, nhóm nghiên cứu đã làm lạnh một tinh thể chứa các nguyên tố erbi, sắt và oxy xuống gần độ không tuyệt đối (-271,67°C), đồng thời áp dụng từ trường cực mạnh - mạnh gấp 100.000 lần từ trường Trái đất.

Trạng thái SRPT từng được mô tả bởi nhà vật lý Robert H. Dicke vào năm 1954 thông qua mô hình siêu bức xạ. Trong đó, các nguyên tử phát ra ánh sáng một cách đồng bộ với tốc độ cao hơn nhiều so với thông thường. Tuy nhiên, mãi đến năm 1973, hiện tượng này mới được chứng minh về mặt toán học bởi 2 nhà vật lý Klaus Hepp và Elliot H. Lieb.

Điều khiến phát hiện lần này đặc biệt là việc các nhà khoa học đã thay thế các dao động lượng tử trong chân không bằng các "magnon" - dạng sóng dao động spin trong vật liệu từ tính. Spin, hay mô men động lượng của hạt, đóng vai trò cốt lõi trong vật lý lượng tử và được ứng dụng trong nhiều công nghệ hiện đại, từ thiết bị ghi nhớ đến máy tính lượng tử.

Trạng thái vật chất mới

SRPT từng bị cho là không thể quan sát trong thực tế do vướng giới hạn vật lý cơ bản của các hệ thống quang học. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng magnon thay cho ánh sáng và kết nối mạnh mẽ giữa hai hệ spin độc lập (ion sắt và ion erbi), nhóm nghiên cứu đã vượt qua rào cản này.

“Chúng tôi quan sát được sự biến mất của năng lượng từ một chế độ spin và sự dịch chuyển rõ rệt của chế độ còn lại - dấu hiệu không thể nhầm lẫn của SRPT”, Dasom Kim, đồng tác giả nghiên cứu và nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Rice (Mỹ), cho biết.

Phát hiện SRPT không chỉ mang ý nghĩa xác nhận một lý thuyết lâu đời, mà còn mở ra triển vọng lớn cho công nghệ lượng tử. Theo Kim, trạng thái SRPT có thể tạo điều kiện hình thành các trạng thái lượng tử "nén", nơi dao động lượng tử ở một chiều bị giảm xuống mức thấp hơn giới hạn tiêu chuẩn.

Hiện tượng này đặc biệt có giá trị trong cảm biến lượng tử và các hệ thống đo lường đòi hỏi độ chính xác cao. Gần điểm tới hạn lượng tử của SRPT, các dao động lượng tử trở nên cực kỳ ổn định, giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác của thiết bị.

Không dừng lại ở đó, SRPT còn có thể mang lại những lợi thế trong máy tính lượng tử - lĩnh vực đang đối mặt với bài toán lớn về lỗi qubit và mất kết hợp. Việc các hạt dao động theo cách đồng bộ có thể giúp tạo ra các qubit bền vững hơn, thời gian hoạt động dài hơn và ít lỗi hơn.

Tăng tốc tính toán

Ngoài việc nâng cao độ ổn định, SRPT còn có tiềm năng giúp tăng tốc quá trình xử lý trong máy tính lượng tử. Các tương tác mạnh và tập thể giữa các hạt lượng tử trong trạng thái SRPT có thể giúp rút ngắn thời gian thực hiện các cổng lượng tử - những "viên gạch" xây dựng nên thuật toán lượng tử.

Điều này đặc biệt quan trọng trong cuộc đua phát triển máy tính lượng tử vượt qua các hệ thống tính toán truyền thống. Những qubit mạnh hơn, bền hơn và xử lý nhanh hơn có thể là chìa khóa để đưa công nghệ lượng tử ra khỏi phòng thí nghiệm, ứng dụng trong y học, tài chính, vật lý, mật mã và hàng loạt lĩnh vực khác.

Phát hiện SRPT không chỉ là một thành công riêng lẻ, mà còn mở ra cánh cửa cho việc khám phá thêm nhiều trạng thái vật chất mới trong lĩnh vực vật lý lượng tử ngưng tụ. Khả năng kiểm soát và kết nối giữa các hệ lượng tử khác nhau - như magnon và spin - đang đặt nền móng cho một thế hệ công nghệ hoàn toàn mới.

“Chúng tôi đã chứng minh rằng một trạng thái vật chất được dự đoán từ hơn nửa thế kỷ trước là hoàn toàn có thể đạt được trong điều kiện thực nghiệm hiện đại. Điều này sẽ truyền cảm hứng cho các nhà khoa học trên toàn thế giới khám phá thêm các hiện tượng lượng tử mới và cách khai thác chúng phục vụ công nghệ”, nhà khoa học Dasom Kim nhấn mạnh.

Hoàng Vũ