Các nhà nghiên cứu sử dụng máy tính lượng tử để mô phỏng các trạng thái vật chất cực đoan

Các nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Washington và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore đã đạt được một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực mô phỏng lượng tử. Họ đã tận dụng sức mạnh tính toán của các máy tính lượng tử do IBM cung cấp. Thành tựu này đánh dấu sự chuyển dịch quan trọng sang việc ứng dụng công nghệ lượng tử vào việc giải quyết các bài toán vật lý cơ bản.

Trọng tâm của bước đột phá này là việc thiết kế và triển khai thành công các mạch lượng tử có khả năng mở rộng. Những mạch này cho phép thiết lập trạng thái ban đầu cần thiết cho việc mô phỏng các vụ va chạm hạt, tập trung vào các tương tác mạnh được mô tả trong Mô hình Chuẩn. Một minh chứng cho thấy mức độ phức tạp ngày càng tăng của các mô phỏng này là việc tái tạo thành công các đặc tính cốt lõi của vật lý hạt nhân bằng cách sử dụng hơn 100 qubit trên các bộ xử lý lượng tử của IBM. Các siêu máy tính cổ điển đang gặp phải những thách thức không thể vượt qua khi cố gắng giải các phương trình điều khiển sự tương tác của các hạt trong điều kiện động lực học cao hoặc mật độ cực lớn, điều này càng khẳng định vai trò không thể thiếu của điện toán lượng tử.

Việc mô phỏng thành công với sự tham gia của hơn 100 qubit chứng minh khả năng vượt qua các rào cản trong việc chuẩn bị các trạng thái ban đầu phức tạp, vốn trước đây được coi là một trở ngại lớn trong các mô phỏng lượng tử. Dự án này có sự tham gia của các chuyên gia từ Đại học Washington, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore và tập đoàn IBM, đơn vị đã cung cấp quyền truy cập vào các hệ thống tiên tiến của mình. Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã xây dựng được các mạch lượng tử có khả năng mở rộng để tạo ra trạng thái ban đầu tương tự như những gì xảy ra trong các vụ va chạm tại máy gia tốc hạt, đây là một bước đi then chốt hướng tới các mô phỏng động lực học trong tương lai.

Những thuật toán lượng tử có khả năng mở rộng này mở ra con đường để mô hình hóa trạng thái chân không trước va chạm và nghiên cứu các hệ thống có mật độ cực kỳ cao. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kết quả thu được để xác định các đặc tính của chân không với độ chính xác lên đến một phần trăm, đồng thời tạo ra các xung hadron và theo dõi sự tiến hóa của chúng theo thời gian. Các lĩnh vực ứng dụng tiềm năng, vượt ra ngoài phạm vi vật lý hạt nhân, bao gồm khoa học vật liệu và y học.

Sự hợp tác giữa giới học thuật và ngành công nghiệp, cụ thể là giữa Đại học Washington, Phòng thí nghiệm Livermore và IBM, là một ví dụ điển hình cho sự phát triển của lĩnh vực thông tin lượng tử. Chẳng hạn, vào tháng 1 năm 2025, NERSC tại Phòng thí nghiệm Livermore cũng đã khánh thành Trung tâm Đổi mới Lượng tử IBM để cung cấp cho người dùng quyền truy cập vào máy tính lượng tử của IBM cho các ứng dụng khoa học. Điều này cho thấy xu hướng chung là tích hợp các tài nguyên lượng tử vào các hoạt động tính toán khoa học quy mô lớn.

Tóm lại, việc mô phỏng thành công bằng cách sử dụng hơn 100 qubit trên thiết bị của IBM, nhằm mục đích nghiên cứu các tương tác mạnh trong khuôn khổ Mô hình Chuẩn, đại diện cho một bước tiến đáng kể trong việc áp dụng các công nghệ lượng tử mới nổi vào các thách thức khoa học cơ bản. Nghiên cứu này, với sự tham gia của các đơn vị như IQuS (Vườn ươm Mô hình hóa Lượng tử) tại Đại học Washington, khẳng định tính khả thi của phương pháp tiếp cận dựa trên các mạch có khả năng mở rộng để mô phỏng các trạng thái vật chất kỳ lạ.