Một bước tiến quan trọng hướng đến internet lượng tử

Vật liệu kim cương là một phần quan trọng của các công nghệ tương lai như internet lượng tử. Các tâm khiếm khuyết đặc biệt có thể sử dụng như các bit lượng tử và phát ra các hạt ánh sáng được coi như những photon đơn lẻ.

Để tăng cường việc truyền dữ liệu với các tốc độ truyền thông khả thi qua những khoảng cách xa trong một mạng lượng tử, tất cả các photon phải được thu thập trong các sợi quang và truyền đi không bị mất mát. Muốn được như vậy cần phải đảm bảo là các photon đó đều có cùng màu sắc, cùng tần số. Cho đến hiện tại thì chưa thể đảm bảo được những điều kiện cần thiết đó.

Các nhà nghiên cứu ở nhóm “Photon lượng tử tích hợp” do giáo sư  Tim Schröder tại ĐH Humboldt Berlin đã thành công trong việc lần đầu tiên trên thế giới tạo ra và dò các photon với các tần số photon bền được phát ra từ các nguồn ánh sáng lượng tử hoặc nhiều chính xác hơn, từ các trung tâm khuyết tật trống nitrogen ở các cấu trúc nano kim cương.

Có thể thực hiện được điều này bằng việc chọn vật liệu kim cương một cách cẩn trọng; các phương pháp chế tạo nano phức tạp ở Phòng thí nghiệm hợp tác Diamond Nanophotonics ở Viện nghiên cứu Ferdinand-Braun, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik; và các giao thức kiểm soát thực nghiệm đặc biệt. Bằng việc kết hợp các phương pháp, nhiễu của các electron, vốn từng làm nhiễu loạn việc truyền dữ liệu trước đây, có thể được giảm thiểu một cách đáng kể và các photon được tạo ra ở một tần số (truyền thông) bền vững.

Thêm vào đó, các nhà nghiên cứu Berlin đã chứng tỏ là tốc độ truyền thông giữa các hệ lượng tử riêng rẽ về mặt không gian có thể được gia tăng đến hơn 1.000 lần với sự hỗ trợ của các phương pháp đã được họ phát triển này – một bước tiến quan trọng bước gần hơn với một mạng internet lượng tử trong tương lai.

Các nhà khoa học đã tích hợp các qubit vào các cấu trúc nano kim cương tối ưu. Những cấu trúc này mỏng hơn cả nghìn lần sợi tóc người và khiến việc truyền các photon được trực tiếp tạo ra vào vác sợi quang.

Tuy nhiên, trong quá trình pha tạp các cấu trúc nano này, bề mặt vật liệu bị phá hủy tại mức nguyên tử và các electron tự do tạo nhiễu không thể kiểm soát bởi các hạt ánh sáng được sinh ra. Nhiễu, so với một tần số radio không bền, có nguyên nhân là các thăng giáng trong tần số photon, ngăn các giao thức lượng tử, ví dụ như rối lượng tử, diễn ra thành công.

Một đặc trưng cụ thể của vật liệu kim cương được các nhà nghiên cứu tận dụng là mật độ cao của các nguyên tử pha tạp nitrogen trong mạng tinh thể. Chúng có thể che chắn nguồn sáng lượng tử khỏi nhiễu electron trên bề mặt của cấu trúc nano này. “Tuy nhiên, vẫn cần nghiên cứu các quá trình vật lý một cách chính xác để có thêm nhiều thông tin chi tiết trong tương lai”, Laura Orphal-Kobin, nguời tham gia nghiên cứu về các hệ lượng tử với giáo sư Tim Schröder, cho biết.

Việc rút ra được kết luận từ các quan sát thực nghiệm còn nhờ các mô hình và mô phỏng thống kê với sự hỗ trợ của tiến sĩ Gregor Pieplow trong nhóm nghiên cứu, vốn được phát triển và hoàn thiện cùng với các nhà vật lý thực nghiệm.

Bài báo “Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures” được xuất bản trên tạp chí Physical Review X 1.

Thanh Nhàn tổng hợp

Nguồnhttps://phys.org/news/2023-04-important-quantum-internet-diamond-nanostructures.html

https://www.microwavejournal.com/articles/39921-researchers-at-hu-and-ferdinand-braun-institut-make-important-step-towards-quantum-internet

—————————————

1. https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.011042

Tác giả