Các nhà nghiên cứu đã khám phá ra một cách “dịch” thông tin lượng tử giữa các dạng công nghệ lượng tử khác nhau, với những gợi ý đáng chú ý cho tính toán lượng tử, truyền thông lượng tử và mạng lưới lượng tử.
Nghiên cứu này mới xuất bản trên Nature. Nó nêu một cách mới để chuyển đổi thông tin lượng tử từ hình thức sử dụng qua máy tính lượng tử đến hình thứ cần thiết cho truyền thông lượng tử.
Các photon – những hạt ánh sáng – thiết yếu cho các công nghệ lượng tử nhưng sử dụng chúng tại những tần số khác nhau. Ví dụ, một số trong công nghệ tính toán lượng tử phổ biến nhất là dựa trên những qubit siêu dẫn như các gã khổng lồ công nghệ như Google và IBM sử dụng; các qubit đó lưu trữ thông tin lượng tử trong các photon chuyển động ở các tần số vi sóng.
Nhưng nếu muốn xây dựng một mạng lưới lượng tử, hoặc kết nối các máy tính lượng tử, người ta không thể gửi các photon vi sóng bởi việc giữ thông tin lượng tử của chúng quá yếu để sống sót qua cuộc hành trình.
“Có nhiều công nghệ mà chúng tôi sử dụng cho truyền thông cổ điển – điện thoại di động, wifi, GPS và những điều tương tự – tất cả đều sử dụng các tần số vi sóng của ánh sáng”, Aishwarya Kumar, một postdoc tại Viện nghiên cứu James Franck tại ĐH Chicago và tác giả đầu của nghiên cứu nói. “Nhưng người ta không thể làm điều đó với truyền thông lượng tử bởi vì thông tin lượng tử mà anh cần là đơn hạt photon. Và tại các tần số vi sóng, thông tin sẽ bị các nhiễu nhiệt che lấp”.
Giải pháp là chuyển thông tin lượng tử thành một photon tần số cao, gọi là photon quang, vốn đàn hồi hơn so với nhiễu xung quanh. Nhưng thông tin này không thể truyền trực tiếp từ photon đến photon; thậm chí chúng ta cần vật chất trung gian. Một số thực nghiệm được thiết kế các thiết bị ở trạng thái rắn cho mục tiêu này nhưng thực nghiệm của Kumar nhằm cho những thứ cơ bản hơn: các nguyên tử.
Các electron trong các nguyên tử cho phép có một mức năng lượng cụ thể, gọi là các mức năng lượng. Nếu một electron ở một mức năng lượng thấp hơn, nó có thể được kích thích thành một mức năng lượng cao hơn bằng việc va đập với một photon có mức năng lượng chính xác khớp với sự khác biệt giữa mức cao hơn và thấp hơn. Một cách tương tự, khi một electron bị buộc rơi xuống mức năng lượng thấp hơn, nguyên tử sau đó phát xạ một photon với một năng lượng khớp với sự khác biệt năng lượng giữa các mức.
Các nguyên tử rubidium xảy ra khi hai khoảng trống trong mức năng lượng mà công nghệ Kumar khai thác: một cân bằng chính xác năng lượng của một photon vi sóng, và một chính xác cân bằng năng lượng của photon quang. Bằng việc sử dụng các tia laser để chuyển các năng lượng của electron trong nguyên tử lên hoặc xuống, công nghệ này cho phép các nguyên tử để hấp phụ một photon vi sóng với thông tin lượng tử và sau đó phát xạ một photon quang với thông tin lượng tử. Sự chuyển giao giữa các mode khác nhau của thông tin lượng tử mà người ta gọi là “transduction” (tải nạp lượng tử).
Có thể sử dụng một cách hiệu quả các nguyên tử cho mục đích này bằng một quá trình quan trọng mà các nhà khoa học đã thực hiện trong việc thao tác các vật thể nhỏ. “Chúng tôi là một nhóm đã xây dựng công nghệ đặc biệt này trong vòng 20 đến 30, nó cho phép chúng tôi kiểm soát một cách thiết yếu tất cả mọi thứ về các nguyên tử”, Kumar nói. “Vì vậy thí nghiệm này được kiểm soát và hiệu quả”.
Anh nói một bí mật khác với sự thành công là sự tiến triển trong điện động lực học lượng tử trong khoang, nơi một photon bị bẫy trong một buồng siêu dẫn. Buộc photon đó nhảy quanh một không gian có bao bọc, khoang siêu dẫn tăng cường tương tác giữa photon và vật chất được đặt bên trong đó.
Buồng siêu dẫn của họ thoạt nhìn không có bao quanh – trên thực tế, nó gần với một khối phô mai Thụy Sĩ hơn. Nhưng những gì giống như các hố trên thực tế là các kênh giao cắt trong một không gian hình học cụ thể, vì vậy các photon hay atom có thể bị bẫy trong một điểm giao. Đó là một thiết kế thông minh cho phép các nhà nghiên cứu có thể sử dụng buồng đó vì vậy họ có thể đưa các nguyên tử và các photon.
Công nghệ hoạt động theo cả hai cách: có thể chuyển thông tin lượng tử từ các photon vi sóng đến các photon quang, và ngược lại. Vì vậy có thể dựa trên khía cạnh khác của kết nối đường dài giữa hai máy tính lượng tử chứa qubit siêu dẫn, và đảm trách vai trò như một khối cơ bản cho internet lượng tử.
Nhưng Kumar nghĩ rằng có thể công nghệ này sẽ có nhiều ứng dụng hơn là mạng lưới lượng tử. Năng lực lõi của nó là các nguyên tử và photon rối mạnh hơn – một nhiệm vụ khó trong nhiều công nghệ lượng tử khác nhau khắp lĩnh vực này.
“Một trong những điều khiến chúng tôi thực sự thấy kích thích là năng lực của nền tảng này để tạo ra rối lượng tử thực sự hiệu quả hơn”, anh nói. “Rối lượng tử là trung tâm của hầu hết mọi lượng tử mà chúng tôi quan tâm, từ máy tính lượng tử đến mô phỏng, đến đo lường và các đồng hồ lượng tử. Tôi phấn chấn khi thấy những gì chúng tôi có thể làm”.
Thanh Phương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2023-03-quantum-technologies-important-internet.html
https://www.sciencetimes.com/articles/42979/20230325/breakthrough-experiment-translates-quantum-information-technologies-improving-communication.htm
————————-
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05740-2
