Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Trung tâm Bước nhảy vọt Lượng tử sẽ thúc đẩy lĩnh vực mô phỏng lượng tử bằng cách sử dụng các hệ lượng tử ở quy mô nguyên tử. Kim cương thường được đánh giá cao vì độ bóng hoàn hảo của chúng, nhưng Trợ lý Giáo sư Vật lý Zu Chongzhi nhận thấy giá trị sâu sắc hơn ở những tinh thể tự nhiên này. Như đã đưa tin trên tạp chí Physical Review Letters, một trong những tạp chí uy tín nhất về vật lý, nhóm ChongZu đã thực hiện một bước quan trọng trong nỗ lực biến kim cương thành mô phỏng lượng tử.
Đồng tác giả của bài báo bao gồm giáo sư vật lý Kate Murch, nghiên cứu sinh tiến sĩ He Guanhui, Gong Ruotian (Reginald) Gong và Liu Zhongyuan. Công việc của họ được hỗ trợ một phần bởi Trung tâm Bước nhảy lượng tử. Trung tâm Bước nhảy vọt Lượng tử là một sáng kiến đặc trưng của Kế hoạch Chiến lược Khoa học & Nghệ thuật nhằm áp dụng những hiểu biết và công nghệ lượng tử vào vật lý, y sinh và khoa học đời sống, khám phá thuốc và các lĩnh vực sâu rộng khác.
Các nhà nghiên cứu đã bắn phá viên kim cương bằng các nguyên tử nitơ, khiến nó biến đổi. Một số nguyên tử nitơ này thay thế các nguyên tử carbon, tạo ra những khiếm khuyết trong một tinh thể hoàn hảo. Khoảng trống thu được được lấp đầy bằng các electron có spin và từ tính, có đặc tính lượng tử có thể được đo và điều khiển cho nhiều ứng dụng.
Như Zu và nhóm của ông đã tiết lộ trước đây thông qua nghiên cứu về boron, khiếm khuyết này có khả năng được sử dụng làm cảm biến lượng tử phản ứng với môi trường xung quanh và phản ứng với nhau. Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu tập trung vào một khả năng khác: sử dụng các tinh thể không hoàn hảo để nghiên cứu thế giới lượng tử vô cùng phức tạp.
Máy tính cổ điển (bao gồm cả siêu máy tính hiện đại) không đủ khả năng để mô phỏng các hệ lượng tử, ngay cả những hệ thống chỉ có chục hạt lượng tử. Điều này là do kích thước của không gian lượng tử tăng theo cấp số nhân với mỗi hạt bổ sung. Nhưng nghiên cứu mới cho thấy có thể mô phỏng trực tiếp động lực lượng tử phức tạp bằng cách sử dụng các hệ lượng tử có thể điều khiển được. Zu cho biết: “Chúng tôi cẩn thận thiết kế hệ thống lượng tử của mình, tạo một chương trình mô phỏng và cho nó chạy. Cuối cùng, chúng tôi quan sát kết quả. Đây là một vấn đề gần như không thể giải quyết bằng máy tính cổ điển”.
Tiến bộ của nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực này sẽ giúp nghiên cứu một số khía cạnh thú vị nhất của vật lý lượng tử nhiều vật thể, bao gồm việc hiện thực hóa các pha mới của vật chất và dự đoán các hiện tượng mới xuất hiện trong các hệ lượng tử phức tạp.
Trong nghiên cứu mới nhất, Zu và nhóm của ông đã có thể giữ cho hệ thống của họ ổn định trong tối đa 10 mili giây, một khoảng thời gian dài trong thế giới lượng tử. Đáng chú ý, hệ thống kim cương của họ hoạt động ở nhiệt độ phòng, không giống như các hệ thống mô phỏng lượng tử khác hoạt động ở nhiệt độ cực lạnh.
Một trong những chìa khóa để giữ cho hệ lượng tử nguyên vẹn là ngăn chặn quá trình nhiệt hóa, tức là khi một hệ thống hấp thụ một lượng lớn năng lượng và tất cả các khuyết tật đều mất đi dấu hiệu lượng tử duy nhất và cuối cùng trông giống hệt nhau. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng họ có thể trì hoãn kết quả này bằng cách điều khiển hệ thống quá nhanh để hấp thụ năng lượng. Điều này đặt hệ thống ở trạng thái "khởi động" tương đối ổn định.
Hệ thống dựa trên kim cương mới này cho phép các nhà vật lý nghiên cứu đồng thời sự tương tác của nhiều vùng lượng tử. Nó cũng mở ra khả năng tạo ra các cảm biến lượng tử ngày càng nhạy hơn. Zu nói: “Một hệ lượng tử tồn tại càng lâu thì độ nhạy của nó càng cao.
Zu và nhóm của ông hiện đang cộng tác với các nhà khoa học khác của UW tại Trung tâm Bước nhảy vọt Lượng tử để thu được những hiểu biết mới về các lĩnh vực. Trong lĩnh vực Nghệ thuật & Khoa học, Zu đang làm việc với Erik Henriksen, phó giáo sư vật lý, để cải thiện hiệu suất của cảm biến. Ông cũng có kế hoạch sử dụng chúng để hiểu rõ hơn về vật liệu lượng tử được tạo ra trong phòng thí nghiệm của Sheng Ran, trợ lý giáo sư vật lý. Ông cũng đang làm việc với Philip Skemer, giáo sư về Trái đất, khoa học môi trường và hành tinh, để quan sát từ trường trong các mẫu đá ở cấp độ nguyên tử, và với Shankar Mukherji, trợ lý giáo sư vật lý, để ghi lại hình ảnh nhiệt động lực học trong các tế bào sinh học sống.