Trong vật lý cổ điển, một vật chỉ có thể ở một trạng thái tại một thời điểm. Nhưng trong cơ học lượng tử, mọi thứ có thể “vừa là A, vừa là B” cùng lúc. Ý tưởng này thường được minh họa bằng “con mèo Schrödinger” — vừa sống vừa chết cho đến khi bị quan sát.

Trong thực tế, các nhà khoa học có thể tạo ra những phiên bản “mèo lượng tử” ít kịch tính hơn bằng cách đặt nguyên tử, ánh sáng hoặc chuyển động vào trạng thái chồng chập. Đây là nền tảng quan trọng của máy tính lượng tử, nơi đơn vị cơ bản là qubit có thể đồng thời mang giá trị 0 và 1.

Điểm đột phá của nhóm Oxford là họ không chỉ tạo ra chồng chập đơn giản, mà còn “lắp ghép” các trạng thái phức tạp hơn nhiều. Họ thực hiện điều này bằng cách sử dụng một ion (hạt mang điện) bị bẫy trong phòng thí nghiệm.

Thí nghiệm sử dụng một ion stronti-88 duy nhất được giam giữ trong bẫy ion. Các ion bị giam giữ rất phù hợp với loại nghiên cứu này vì chúng kết hợp hai hệ thống lượng tử khác nhau trong một: trạng thái điện tử bên trong của ion hoạt động như một bit lượng tử, hay qubit, trong khi chuyển động vật lý của ion dọc theo bẫy hoạt động như một dao động điều hòa lượng tử – một hệ thống có khả năng chiếm giữ nhiều trạng thái lượng tử khác nhau.

Bằng cách kết hợp hai bậc tự do này, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng qubit như một đòn bẩy điều khiển để định hình (lập trình) trạng thái chuyển động.

Để xây dựng các trạng thái chồng chập, nhóm nghiên cứu trước tiên đã áp dụng các tương tác được thiết kế để làm vướng víu trạng thái bên trong của ion với các trạng thái chuyển động khác nhau có thể có.

Sau đó, một phép đo lượng tử giữa mạch về trạng thái bên trong sẽ chiếu chuyển động của ion vào trạng thái chồng chập mong muốn, tách rời hai hệ thống mà không làm xáo trộn trạng thái chuyển động.

Ion này có hai phần: Thứ nhất là trạng thái nội tại (đóng vai trò như qubit). Thứ 2 là chuyển động của ion (hoạt động như một hệ dao động lượng tử có nhiều mức năng lượng)

Bằng cách làm cho hai phần này “vướng víu lượng tử” với nhau, rồi đo đạc có kiểm soát, các nhà khoa học có thể tạo ra các trạng thái chồng chập rất đặc biệt — giống như “điêu khắc” hình dạng của trạng thái lượng tử theo ý muốn.

Để kiểm chứng, nhóm nghiên cứu đã tái dựng lại các trạng thái này và quan sát được các dấu hiệu đặc trưng của hiện tượng lượng tử, như các mẫu giao thoa và vùng “âm” trong hàm Wigner — điều không thể giải thích bằng vật lý cổ điển.

Những đặc điểm này xác nhận rằng thí nghiệm đã tạo ra các trạng thái chồng chập lượng tử thực sự của các trạng thái chuyển động phi cổ điển.

Kết quả này mở ra khả năng kiểm soát linh hoạt hơn các trạng thái lượng tử phức tạp, từ đó góp phần phát triển các thế hệ máy tính lượng tử mạnh mẽ hơn trong tương lai.

Các trạng thái mới này giúp sửa chữa nhiều loại lỗi lượng tử cùng một lúc để tạo ra các máy tính lượng tử kiểm soát lỗi tốt hơn. Ngoài ra, phát hiện này cho phép các nhà vật lý tạo ra các cảm biến lượng tử tốt hơn để đo được những thay đổi nhỏ trong trọng lực hoặc từ trường.

• Hiện nhóm tác giả đang hợp tác với các nhà lý thuyết để xác định chính xác hơn mức độ ‘lượng tử’ của các trạng thái này.