Máy tính lượng tử: thêm một khó khăn được giải quyết
Để chế tạo được máy tính lượng tử, các nhà khoa học vẫn phải đối mặt với một vài thách thức. Một trong những thách thức đó là, các máy tính lượng tử rất dễ bị "tổn thương" bởi tác động của môi trường xung quanh. Các ngoại lực có thể phá hủy rất nhanh cấu trúc thông tin của máy tính lượng tử, hiện tượng này còn được gọi là "sự li khai" ("decoherence") - ngược với "sự kết hợp" ("coherence").
Để xử lý một cách kết hợp thông tin lượng tử, người ta sử dụng một phương pháp có liên quan đến điện động lực học lượng tử (QED). Trong phương pháp này, các nhà khoa học sử dụng một hốc nhỏ để có được động học kết hợp giữa một nguyên tử và một photon – tức là sử dụng những tấm gương để điều khiển các tính chất bức xạ của một nguyên tử. Các nhà khoa học ở Viện Công nghệ California là những người đi đầu trong phương pháp này. Gần đây, họ đã công bố một bước tiến quan trọng trong việc tạo ra một sự phân bố kết hợp thông tin lượng tử.
Trong công trình đăng trên Physical Review Letters, nhà vật lý David Boozer và các đồng nghiệp đã mô tả sự chuyển trạng thái thuận nghịch của một xung ánh sáng kết hợp đi đến và đi ra từ trạng thái nội tại của một nguyên tử bị bẫy trong hốc quang. Quan sát này đã lần đầu tiên xác minh được giả thiết của nhà vật lý nguyên tử Ignacio Cirac về quan hệ thuận nghịch của của các trạng thái lượng tử giữa ánh sáng và vật chất khi sử dụng hốc QED để tạo ra sự kết cặp cho tương tác nguyên tử-photon.
“Kết quả hay nhất của nghiên cứu này chính là sự minh họa tính thuận nghịch (tức là tính kết hợp) đối với các quá trình phát xạ và hấp thụ ánh sáng,” Boozer nói. “Tính kết hợp của quá trình này có nghĩa là nó bảo toàn sự chồng chập các trạng thái lượng tử, từ đó mở ra con đường cho việc kết nối thông tin lượng tử giữa nguyên tử và ánh sáng.”
Các nguyên tử thường có thời gian kết hợp dài, đóng vai trò như những qubit “đứng yên”, hay những điểm nút của mạng lưới. Còn các photon đóng vai trò như những qubit “bay nhảy”, chúng là các kênh lượng tử nối kết các nút trên những khoảng cách dài.
“Về nguyên tắc, trong một máy tính lượng tử có một vài cổng logic, mỗi cổng này thực hiện một sự vận hành lượng tử cơ sở đối với một hoặc hai qubit đứng yên,” Boozer giải thích. “Những cổng logic được nối kết với nhau trong một mạng lưới, sao cho đầu ra của một cổng có thể được chuyển đi theo một qubit ‘bay nhảy’ đến đầu vào của cổng kế tiếp. Như vậy, vấn đề ở đây là cần tìm cách để chuyển những qubit đứng yên thành những qubit bay nhảy và ngược lại. Và nghiên cứu này của chúng tôi đã minh họa được cách đó.”
Với khả năng biến đổi thuận nghịch trạng thái của qubit từ “bay nhảy” sang “đứng yên” và ngược lại, các nhà khoa học đã đạt được bước tiến quan trọng trong sự truyền thông tin lượng tử một cách kết hợp trong một mạng lưới, đồng thời môi trường bên ngoài không thể phá hoại được thông tin đó. “Trong công trình này, qubit được mã hoá theo các trạng thái số photon của ánh sáng và các mức siêu tinh tế của nguyên tử,” Boozer nói. “Trong tương lai, chúng tôi có một kế hoạch hay ho là sẽ mã hóa theo bậc tự do phân cực của ánh sáng và các mức con của nguyên tử trong từ trường. Đồng thời chúng tôi cũng sẽ nghiên cứu làm tăng hiệu quả của quá trình truyền trạng thái.”
Trong công trình đăng trên Physical Review Letters, nhà vật lý David Boozer và các đồng nghiệp đã mô tả sự chuyển trạng thái thuận nghịch của một xung ánh sáng kết hợp đi đến và đi ra từ trạng thái nội tại của một nguyên tử bị bẫy trong hốc quang. Quan sát này đã lần đầu tiên xác minh được giả thiết của nhà vật lý nguyên tử Ignacio Cirac về quan hệ thuận nghịch của của các trạng thái lượng tử giữa ánh sáng và vật chất khi sử dụng hốc QED để tạo ra sự kết cặp cho tương tác nguyên tử-photon.
“Kết quả hay nhất của nghiên cứu này chính là sự minh họa tính thuận nghịch (tức là tính kết hợp) đối với các quá trình phát xạ và hấp thụ ánh sáng,” Boozer nói. “Tính kết hợp của quá trình này có nghĩa là nó bảo toàn sự chồng chập các trạng thái lượng tử, từ đó mở ra con đường cho việc kết nối thông tin lượng tử giữa nguyên tử và ánh sáng.”
Các nguyên tử thường có thời gian kết hợp dài, đóng vai trò như những qubit “đứng yên”, hay những điểm nút của mạng lưới. Còn các photon đóng vai trò như những qubit “bay nhảy”, chúng là các kênh lượng tử nối kết các nút trên những khoảng cách dài.
“Về nguyên tắc, trong một máy tính lượng tử có một vài cổng logic, mỗi cổng này thực hiện một sự vận hành lượng tử cơ sở đối với một hoặc hai qubit đứng yên,” Boozer giải thích. “Những cổng logic được nối kết với nhau trong một mạng lưới, sao cho đầu ra của một cổng có thể được chuyển đi theo một qubit ‘bay nhảy’ đến đầu vào của cổng kế tiếp. Như vậy, vấn đề ở đây là cần tìm cách để chuyển những qubit đứng yên thành những qubit bay nhảy và ngược lại. Và nghiên cứu này của chúng tôi đã minh họa được cách đó.”
Với khả năng biến đổi thuận nghịch trạng thái của qubit từ “bay nhảy” sang “đứng yên” và ngược lại, các nhà khoa học đã đạt được bước tiến quan trọng trong sự truyền thông tin lượng tử một cách kết hợp trong một mạng lưới, đồng thời môi trường bên ngoài không thể phá hoại được thông tin đó. “Trong công trình này, qubit được mã hoá theo các trạng thái số photon của ánh sáng và các mức siêu tinh tế của nguyên tử,” Boozer nói. “Trong tương lai, chúng tôi có một kế hoạch hay ho là sẽ mã hóa theo bậc tự do phân cực của ánh sáng và các mức con của nguyên tử trong từ trường. Đồng thời chúng tôi cũng sẽ nghiên cứu làm tăng hiệu quả của quá trình truyền trạng thái.”
Nguồn: “Reversible State Transfer between Light and a Single Trapped Atom.” Physical Review Letters 98, 193601 (2007).
