Những đột phá vật lí trong năm 2009

Bơ · 1 Những đột phá vật lí trong năm 2009 Wed Jan 06, 2010 9:28 pm

Bơ

Thành viên 12A2

Bài Viết : 233
USD : 1474
Danh Tiếng : 11
Giới tính :

"Máy tính lượng tử” hoàn chỉnh đầu tiên

Các nhà vật lí tại NIST đã chứng minh sự xử lí thông tin lượng tử xác thực, duy trì được, trong bẫy ion ở phần giữa bên trái của bức ảnh chụp này, tăng thêm viễn cảnh chế tạo một chiếc máy tính lượng tử thực tế. Các ion bị bẫy bên trong khe tối (dài 3,5 mm và rộng 200 µm) giữa các bánh xốp nhôm tráng vàng. Bằng cách thay đổi điện áo đặt vào mỗi điện cực vàng, các nhà khoa học có thể làm di chuyển các ion giữa sáu vùng thuộc bên trong bẫy. (Ảnh: J Jost/NIST)

Trong hàng thập kỉ, các nhà vật lí đã mơ tới việc chế tạo một máy tính lượng tử có thể những bài toán nhất định nhanh hơn máy tính thông thường. Thật ra, việc chế tạo một thứ như vậy tỏ ra cực kì khó, nhưng hồi tháng 8, Jonathan Home cùng các đồng nghiệp tại NIST đã tiết lộ dụng cụ cỡ nhỏ đầu tiên có thể mô tả là một ‘máy tính lượng tử’. Con chip có thể thực hiện tập hợp đầy đủ các toán tử lô gic mà có sự thất thoát thông tin đáng kể trong quá trình truyền.
Trong vài năm trở lại đây, đội của Home đã sử dụng các ion cực lạnh để chứng minh một cách độc lập toàn bộ những bước cần thiết cho điện toán lượng tử. Nhưng trong năm 2009, nhóm đã thực hiện bước đột phá thiết yếu của việc kết hợp toàn bộ những giai đoạn này vào một dụng cụ duy nhất.
Dụng cụ trông hơi giống với một con chip máy tính kiểu cũ – nhưng đừng bao giờ trông mong nó chạy một phiên bản lượng tử của Windows ngay lúc này. Hiệu suất tổng thể 94% của nó thật ấn tượng cho một dụng cụ lượng tử, nhưng giá trị này cần tăng lên 99.99% trước khi có thể dùng trong một máy tính lượng tử cỡ lớn gồm nhiều bộ xử lí như thế.
Vậy các chuyên gia điện toán lượng tử phải nói gì? “Một bước tiến lớn và gây ấn tượng nhất”, Hans Bachor, tại trường đại học quốc gia Australia, nói. “Một thành tựu”, Boris Blinov thuộc trường đại học Washington nhận xét.

Home gây xôn xao trở lại hồi tháng 11, khi ông nhập đội với David Hanneke và những người khác tại NIST chế tạo một máy tính lượng tử từ hai ion bị bẫy. Dụng cụ trên có thể thực hiện ít nhất 160 toán tử điện toán khác nhau.
Nhiều công việc nữa cần phải làm trước khi máy tính lượng tử trở thành một thực thể thương mại – những tiến bộ thật sự đã được thực hiện trong năm 2009.

Những thành tựu khác trong năm 2009

Tevatron tìm thấy quark top

Máy Va chạm Hadron Lớn có lẽ đã và đang nằm trong tiêu điểm của ánh đèn sân khấu trong năm 2009, nhưng các nhà vật lí tại Tevatron của Fermilab vẫn khuấy động sàn diễn với vô số kết quả. Thật vậy, dường như mỗi tuần, có ít nhất hoặc hai bài toán từ hai thí nghiệm chính của Tevatron (CDF và D0) được công bố trên tờ Physical Review Letters. Trong khi kiên trì chọn ra kết quả quan trọng nhất, niềm hứng khởi của chúng tôi là hành động kép hồi tháng 3 khi các thí nghiệm CDF và D0 độc lập nhau tường thuật bằng chứng không thể chối cãi rằng quark top, hạt nặng nhất trong sáu quark mùi đã biết, có thể sinh ra độc lập thay vì thành từng cặp như những quan sát trước đây cho thấy.

Theo vết spin trong silicon ở nhiệt độ phòng

Trong hàng thập kỉ, các nhà đã hứa hẹn những dụng cụ điện tử ngày càng nhỏ hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn, sử dụng spin electron để lưu trữ và xử lí thông tin. Nhưng với ngoại lệ các đầu đọc từ trở khổng lồ trong các ổ đĩa cứng, các nhà vật lí vẫn chật vật trước việc chế tạo ra các dụng cụ “điện tử học spin” thực sự. Vào tháng 11, Ron Jansen và các đồng nghiệp tại trường đại học Twente ở Hà Lan đã có một bước tiến quan trọng theo chiều hướng này bởi việc chứng tỏ rằng có thể đưa các electron phân cực spin vào trong silicon ở nhiệt độ phòng. Các spin tồn tại đủ lâu cho thấy các mạch điện tử học spin có thể chứa các cấu trúc silicon kích cỡ nano mét và hoạt động ở tần số 10–100 GHz – giống hệt như các mạch tích hợp ngày nay.

Graphane – họ hàng gần của graphene

Những đột phá vật lí trong năm 2009 Qcomp2

Ảnh minh họa của graphane cho thấy các nguyên tử carbon (màu xanh) và các nguyên tử hydrogen (màu đỏ).

“Chất liệu kì diệu” graphene đã gây bùng nổ trên khán đài khoa học cách đây 5 năm – và tấm carbon chỉ dày một nguyên tử đó tiếp tục làm ngây ngất các nhà vật lí với danh sách không ngừng mở rộng các tính chất nổi trội của nó. Vào tháng 1, một đội trong đó có nhóm nghiên cứu ở Anh đã phát hiện ra graphene, công bố một chất liệu mới gọi là graphane, chế tạo bằng cách thêm các nguyên tử hydrogen vào khám phá ban đầu của họ. Đồng thời là chất cách điện có thể hữu dụng cho việc chế tạo các dụng cụ điện tử gốc graphene, graphane còn tìm thấy ứng dụng là môi trường trữ hydrogen có thể giúp những chiếc xe chạy bằng hydrogen đi được xa hơn trước khi nạp lại nhiên liệu.

Tìm thấy đơn cực từ trong băng spin

Kể từ khi các đơn cực từ lần đầu tiên được Paul Dirac tiên đoán vào năm 1931, các nhà vật lí đã đi tìm những thực thể hay lảng tránh này trong vô vọng. Vào tháng 9, hai nhóm nghiên cứu độc lập nhau khẳng định đã nhìn thấy các đơn cực từ - về cơ bản là những nam châm chỉ có một cực – trong các chất liệu từ tính gọi là băng spin. Các đơn cực từ băng spin rất khác với nguyên gốc do Dirac tiên đoán, và do đó không có khả năng giúp các nhà vật lí phát triển lí thuyết thống nhất lớn của ngành vật lí hạt hoặc các lí thuyết dây. Nhưng vì các đơn cực từ xuất hiện trong các vật liệu từ, nên việc tìm hiểu các tính chất của chúng có thể giúp phát triển các bộ nhớ từ hoặc những dụng cụ điện tử học spin khác.

Nước trên Mặt trăng

Những đột phá vật lí trong năm 2009 Moon

Bề mặt mặt trăng theo Tàu lập bản đồ khoáng vật học mặt trăng, thuộc sứ mệnh mặt trăng Chandrayaan-1. (Ảnh: NASA).

Chúng ta có thể nhìn bề mặt Mặt trăng bằng mắt trần và một số người còn từng đi trên bề mặt của nó – nhưng cho đến tháng 9 rồi, chúng ta vẫn chưa chắc là có bao nhiêu nước trên người láng giềng gần gũi nhất này. Đó là thời điểm các nhà khoa học làm việc tại sứ mệnh không gian Ấn Độ Chandrayaan-1 tiết lộ nhiều dữ liệu phong phú cho thấy có nhiều nước trên mặt trăng hơn trước đây người ta nghĩ. Và sau đó chừng một tuần, tàu khảo sát LCROSS của NASA đã lao vào một miệng hố ở gần cực nam mặt trăng, ném lên khoảng 100 kg nước. Sự có mặt của nước khiến cuộc chinh phục dài ngày đối với Mặt trăng trở nên dễ dàng hơn và một thuộc địa mặt trăng sẽ lát đường tiền trạm cho hành trình lên sao Hỏa – nơi chúng ta biết có rất nhiều nước. Tôi không dám chắc là chúng ta sẽ nghe ngóng được nhiều tin tức trong năm 2010 từ phía NASA, ESA hay những cơ quan không gian khác về những sứ mệnh có người lái trong tương lai.

Các nguyên tử viễn tải thông tin trên đường dài

Đã từng là chất liệu của truyện khoa học viễn tưởng, sự viễn tải nay là một phần của từ vựng vật lí. Hồi tháng 1, Christopher Monroe và các đồng sự ở Maryland và Michigan đã chúng ta biết làm thế nào viễn tải thông tin lượng tử giữa hai nguyên tử cách nhau một khoảng cách đáng kể - một tiến bộ có thể là dấu mốc quan trọng trong cuộc truy tìm một máy tính lượng tử có thể hoạt động được. Các ion cách xa nhau một mét và mãi cho đến công trình này, sự viễn tải chỉ thu được giữa các photon, và giữa hai nguyên tử lân cận qua tác dụng trung gian của một nguyên tử thứ ba. Sự viễn tải lượng tử là một dạng truyền tải ‘ma quái’ nhờ đó thông tin lượng tử, ví dụ như spin của một hạt hay sự phân cực của một photon, có thể truyền đi giữa các hạt mà không cần chuyển động của các hạt hay sự truyền thông tin.

Lỗ đen âm thanh

Jeff Steinhauer trong phòng thí nghiệm của ông, nơi ông hi vọng phát hiện ra bức xạ Hawking từ một hệ nguyên tử cực lạnh.

Còn có cái gì khác không thể mô phỏng bằng các nguyên tử cực lạnh hay không? Hồi tháng 6, Jeff Steinhauer và các đồng sự tại trường đại học Technion ở Israel đã bổ sung thêm lỗ đen vào danh sách không ngừng mở rộng ấy. Cái tương tự lỗ đen của đội nghiên cứu có thể bắt lấy âm thanh theo kiểu giống như một lỗ đen thiên văn vật lí có thể bắt lấy ánh sáng. Nhưng thay cho một ngôi sao co lại, nó bao gồm một hóa đặc Bose–Einstein – một tập hợp nguyên tử lạnh đến mức chúng chuyển động kết hợp trong cùng một trạng thái lượng tử. Bước tiếp theo là xem cái tương tự lỗ đen này có phát ra cái tương tự như bức xạ Hawking hay không – bức xạ Hawking là những hạt tạo ra ở gần các lỗ đen và thoát ra ngoài, nhưng cho đến nay người ta chưa từng quan sát thấy chúng.

Vật chất tối đã xuất hiện ở Minnesota?

Cộng động vật lí vẫn đang tiêu hóa tin tức lan truyền trong tuần này rằng chương trình hợp tác CDMS-II đã tiến gần đến chỗ phát hiện ra vật chất tối. Đội nghiên cứu đã tìm thấy hai sự kiện phù hợp với thành phần vật chất tối gọi là các hạt nặng tương tác yếu, hay WIMP. Khả năng đây là phân rã phóng xạ hoặc tia vũ trụ là 23%, nên còn có quá nhiều việc cần phải làm. Không biết CDMS-II hay có lẽ một thí nghiệm nào khác có mang lại một trường hợp thuyết phục hơn cho sự phát hiện vật chất tối trong năm 2010?

Và cuối cùng, Big Bang tại LHC

Không có danh sách thành tựu nào có thể hoàn chỉnh mà không nhắc tới những va chạm proton 2,36 TeV hồi đầu tháng này tại LHC – năng lượng cao nhất từ trước đến nay. Bạn có thể tìm thêm thông tin về sự kiện này trong những bài viết trước của chúng tôi