Bước đột phá của Trung Quốc: Lần đầu tiên chế tạo thành công động cơ lượng tử sử dụng rối lượng tử

Trong khi từ "lượng tử" ngày càng xuất hiện nhiều hơn trong hầu hết mọi lĩnh vực của công nghệ hiện đại, từ máy tính lượng tử, ổ cứng lượng tử, internet lượng tử. Nhưng các nhà khoa học còn muốn khai thác các tính chất kỳ lạ của cơ học lượng tử, để biến sức mạnh của nó thành một loại động cơ mới thay thế cho loại động cơ đốt trong thông thường.

Cho dù vẫn còn là một công nghệ mới mẻ, loại động cơ này đã có một số phiên bản khác nhau. Năm ngoái các nhà khoa học tại Viện Khoa học Công nghệ Okinawa đã phát triển một loại động cơ lượng tử sử dụng "bản chất lượng tử của các hạt" để thay thế cho nguồn nhiệt vận hành động cơ. Hiệu suất của động cơ này đạt được 25% - không tốt hơn so với các loại động cơ hiện tại – nhưng cũng không quá tệ nếu so với một loại công nghệ mới phát triển.

Nhưng mới đây, các nhà khoa học từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã phát triển một phương pháp khác để tạo ra động cơ lượng tử khi tận dụng một tính chất kỳ lạ khác của lượng tử: rối lượng tử (entanglement hay vướng víu lượng tử). Đây được xem là đặc trưng nổi bật nhất của lượng tử, là trạng thái xảy ra khi 2 hạt lượng tử ở trạng thái chồng chất (superposition), nghĩa là thông tin của chúng liên kết chặt chẽ với nhau - cho dù khoảng cách có bao xa đi nữa.

Hãy tưởng tượng bạn và một người bạn chia nhau một đôi găng tay và mỗi người cầm một chiếc, nhưng không biết mình cầm chiếc nào. Nếu bạn mở ra và thấy bạn đang cầm chiếc găng tay trái, thì ngay lập tức bạn biết người bạn của mình đang cầm chiếc găng tay phải, dù người bạn đó có thể đang ở bên kia thế giới. Đây là một phép ẩn dụ đơn giản hóa để minh họa tính liên kết của trạng thái rối lượng tử.

Nghiên cứu sử dụng các nguyên tử canxi trong một bẫy ion, và về cơ bản, động cơ này khai thác quá trình nhiệt động lực học xảy ra khi các hạt chuyển từ trạng thái ban đầu sang trạng thái rối lượng tử mức độ cao. Kết quả của nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

"Điểm nổi bật trong nghiên cứu của chúng tôi là lần đầu tiên thực hiện thành công một động cơ lượng tử với các đặc tính của rối lượng tử", Zhou Fei, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết trên tờ South China Morning Post. " Nó đã xác minh một cách định lượng rằng các rối lượng tử có thể đóng vai trò như một loại 'nhiên liệu '."

Không giống như động cơ đốt trong truyền thống dựa vào quá trình đốt cháy để sinh nhiệt, động cơ lượng tử của các nhà khoa học Trung Quốc dùng tia laser để chuyển đổi các hạt sang trạng thái lượng tử, chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng cơ học khi các hạt dao động.

Điều thú vị là quá trình hoạt động của nó giống như một động cơ 4 thì thông thường. Đầu tiên, các nguyên tử hấp thụ photon từ một tia laser đỏ. Sau đó chúng giãn nở, ghép nối với một tải lượng tử và nén lại để chuẩn bị cho một chu kỳ tiếp theo.

Phương pháp mới này không cải thiện hiệu suất chuyển đổi so với loại động cơ lượng tử trước đó, nhưng nghiên cứu đã chứng minh rằng vẫn thể có thể tạo ra năng lượng hữu ích. Nhóm nghiên cứu đã phân tích hơn 10.000 thí nghiệm sử dụng các ion canxi và phát hiện ra rằng mức độ vướng lượng tử cao hơn tạo ra hiệu suất cơ học tốt hơn. Mặc dù hiệu suất chuyển đổi không cải thiện, nhưng hiệu suất cơ học lại cao hơn, có nghĩa là nhiều năng lượng hữu ích hơn được tạo ra với cùng một lượng năng lượng đầu vào.

Giống như máy tính lượng tử, những "động cơ" được cung cấp năng lượng bởi rối lượng tử này chỉ hoạt động ở nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối. Nhưng nghiên cứu sâu hơn có thể giúp các động cơ và pin này có khả năng cung cấp năng lượng cho các máy tính và mạch lượng tử quy mô lớn. Chỉ có thời gian mới có thể trả lời.

Sự ra đời của động cơ lượng tử sử dụng vẫn thể đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc khai thác sức mạnh của cơ học lượng tử vào các ứng dụng thực tế. Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức phía trước, nhưng tiềm năng của công nghệ này là rất lớn và hy vọng sẽ sớm chứng kiến sự xuất hiện của các động cơ và thiết bị lượng tử mạnh mẽ, có thể thay đổi cách chúng ta sử dụng và tạo ra năng lượng trong tương lai.