Tiến gần đến “chén thánh” nhiệt độ phòng cho các chip máy tính lượng tử

Để xử lý thông tin, các photon cần phải tương tác. Dẫu vậy, những “gói” nhỏ bé của ánh sáng thường thiếu tương tác bởi chúng chỉ lướt qua nhau. Giờ đây, qua công bố trên tạp chí "Optica", các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Stevens đã “bắt” các hạt photon tương tác với nhau theo cách hiệu quả chưa từng có – một bước tiến quan trọng để có thể đưa các công nghệ quang lượng tử vẫn được chờ đợi từ lâu ứng dụng trên các máy tính, truyền thông và viễn thám thành hiện thực.

 

Yuping Huang, phó giáo sư vật lý và giám đốc Trung tâm Khoa học và kỹ thuật lượng tử, Viện Công nghệ Stevens

Nhóm nghiên cứu do Yuping Huang, một phó giáo sư vật lý và giám đốc Trung tâm Khoa học và kỹ thuật lượng tử, đã mang chúng ta tới gần mục tiêu này với một chip ở cấp độ nano có thể tạo điều kiện cho photon tương tác với hiệu suất cao hơn nhiều bất kỳ hệ nào trước đây. Người ta tối ưu phương pháp mới để nó có thể sẵn sàng hoạt động ở những mức năng lượng rất thấp và tác động đến từng hạt photon, điều mà các nhà khoa học vẫn gọi là “chén thánh” cho tính toán lượng tử ở nhiệt độ phòng và đảm bảo cho truyền thông lượng tử.

“Chúng tôi đang thúc đẩy vật lý và kỹ thuật quang đi xa hơn để có thể đưa lượng tử và mọi quá trình xử lý tín hiệu quang tới gần hơn với hiện thực”, Huang nói.

Để đạt được bước tiến này, nhóm nghiên cứu của Huang đã bắn một chùm tia laser vào một buồng vi cộng hưởng dạng tuyến đường đua được gắn vào một mảnh tinh thể. Khi ánh sáng laser chiếu vào đường đua này, các hạt photon bị giới hạn trong đó tương tác với nhau, tạo ra một cộng hưởng cân bằng, dẫn đến một số ánh sáng tuần hoàn thay đổi theo chiều dài bước sóng.

Đó không hẳn là điều hoàn toàn mới nhưng Huang và đồng nghiệp, trong đó có sinh viên Jiayang Chen và các nhà nghiên cứu Yong Meng Sua, đã thúc đẩy một cách đáng kể hiệu ứng đó bằng việc sử dụng một con chip được làm từ lithium niobate, một hợp chất do niobium, lithium và oxygen tạo ra trên cái cách điện, một vật liệu giữ được sự cân bằng trong tương tác với ánh sáng. Không như silicon, lithium niobate khó bị ăn mòn hóa học với những khí tương tác thông thường. Vì vậy, nhóm nghiên cứu ở Viện Stevens đã dùng một công cụ ion-milling, về bản chất là một máy phun cát ở cấp độ nano, để khắc một đường đua vô cùng nhỏ bằng 1/100 đường kính tóc người.

Trước khi xác định cấu trúc của “đường đua” này, nhóm nghiên cứu cần áp những xung điện cao thế để tạo ra các khu vực phân cực xen kẽ đã được điều chỉnh, vốn được điều chỉnh thành đường cho các photon chuyển động quanh đường đua, gia tăng khả năng tương tác của chúng với nhau.

Chen giải thích, cả việc khắc “đường đua” lên chip và điều chỉnh cách chuyển động của các photon quanh nó đòi hỏi hàng tá bước chế tạo ở cấp độ nano đầy tinh tế, mỗi bước lại đòi hỏi sự chính xác vô cùng lớn. “Theo hiểu biết của chúng tôi, chúng tôi đang là một trong những nhóm đầu tiên nắm vững tất cả các bước chế tạo nano nhằm thiết kế và xây dựng hệ này. Đó là nguyên nhân giải thích vì sao chúng tôi có thể đạt được kết quả này trước tiên”.

Huang và nhóm nghiên cứu của ông hướng tới mục tiêu thúc đẩy tiềm năng của “đường đua” tinh thể tới mức có thể hạn chế và tái tuần hoàn ánh sáng, vẫn được gọi là hệ số Q. Họ cho biết đang tiến gần tới một hệ có khả năng thúc đẩy các tương tác tại cấp độ từng photon, một độ phát cho phép tạo ra nhiều cấu phần tính toán lượng tử hiệu quả như các cổng photonic logic và các nguồn rối [lượng tử], có thể dẫn đến nhiều giải pháp cùng một lúc, cho phép thực hiện các tính toán trong vài giây thay vì nhiều năm.

Chen nói, chúng tôi có thể vẫn còn cách đích đến một khoảng cách nữa, với các nhà khoa học lượng tử thì con đường đó sẽ rất hấp dẫn. “Đó thực sự là ‘chén thánh’. Và trên con đường đến với ‘chén thánh’ này, chúng tôi đang thực hiện được rất nhiều điều trong vật lý mà chưa ai từng làm được trước đây”.

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-09-team-holy-grail-room-temperature.html