Viễn chuyển lượng tử các qutrit: Nền tảng cho các hệ mạng thông tin lượng tử

Lần đầu tiên các nhà khoa học Áo và Trung Quốc đã thành công trong việc viễn chuyển lượng tử các trạng thái lượng tử ba chiều (hình ảnh tượng trưng).



Cơ học lượng tử không cho phép sao chép, hay còn gọi là nhân bản, một trạng thái lượng tử bất kỳ của một hệ vật lý này sang một hệ vật lý khác. Đó là định lý không nhân bản (no-cloning theorem), với nội dung là cấm việc từ một trạng thái lượng tử bất kỳ có thể tạo ra nhiều trạng thái lượng tử giống y hệt như trạng thái ban đầu. Tuy nhiên, viễn chuyển lượng tử (quantum teleportation) – sự chuyển trạng thái lượng tử giữa hai hệ vật lý cách xa nhau – thì có thể. Trong quá trình viễn chuyển lượng tử này không có sự vận chuyển vật chất và không vi phạm định lý không nhân bản vì trạng thái lượng tử của hệ vật lý ở đầu vào bị xóa sạch và được chuyển một cách chính xác sang một hệ vật lý khác, là hệ ở đầu ra.

Ý tưởng cơ bản của viễn chuyển lượng tử là Alice (người gửi tin) và Bob (người nhận tin) chia sẻ từ trước một trạng thái rối cực đại của hai hệ vật lý (maximally bipartite entangled state): Alice giữ một hệ còn Bob giữ hệ kia. Sau đó Alice cho hệ mà trạng thái lượng tử của nó cần viễn chuyển tới Bob tương tác với hệ của trạng thái rối mà Alice đang nắm giữ, rồi làm phép đo Bell (là phép đo mang tên nhà vật lý nổi tiếng John Bell) để thu được một kết quả đo nào đó. Cơ học lượng tử không cho phép dự báo chính xác kết quả đo. Trên thực tế, nhiều kết quả đo khác nhau có thể xảy ra với các xác suất khác nhau. Nếu nhận được một kết quả đo nào đó (trong số các kết quả khả dĩ), thì Alice báo cho Bob biết thông qua một kênh cổ điển bất kỳ. Kết quả đo mà Alice nhận được ảnh hưởng tức thời tới trạng thái lượng tử của hệ vật lý mà Bob nắm giữ theo cách mà nếu biết kết quả đo của Alice thì Bob hoàn toàn có thể tác động lên hệ của mình một cách phù hợp để nhận được trạng thái lượng tử mà Alice muốn viễn chuyển tới Bob. Do vậy, viễn chuyển lượng tử sẽ được hoàn thành nếu Bob biết kết quả đo của Alice.

Các nhà khoa học Áo và Trung Quốc lần đầu tiên đã thành công trong việc viễn chuyển lượng tử các trạng thái lượng tử ba chiều (là các trạng thái lượng tử tồn tại trong không gian Hilbert với thứ nguyên 3, gọi là các qutrit). Viễn chuyển lượng tử các trạng thái lượng tử nhiều chiều có thể đóng vai trò quan trọng trong các máy tính lượng tử tương lai.

Viễn chuyển lượng tử các photon ở trạng thái lượng tử có thứ nguyên 3.

Các nhà nghiên cứu từ Viện Hàn lâm Khoa học Áo và Đại học Viên đã chứng tỏ được bằng thực nghiệm những gì trước đây chỉ là một khả năng trên lý thuyết. Cùng với các nhà vật lý lượng tử từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, họ đã thành công trong việc viễn chuyển lượng tử các trạng thái lượng tử có thứ nguyên cao. Kết quả này đã được đăng lần đầu tiên trong tạp chí Physical Review Letters.

Trong thực nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã viễn chuyển trạng thái lượng tử của một photon (hạt ánh sáng) giữa hai vị trí cách xa nhau. Trước đây, chỉ các trạng thái có thứ nguyên 2 (“qubit”) là viễn chuyển được, tức là thông tin truyền đi có giá trị “0” hoặc “1”. Tuy nhiên, lần này, cũng là lần đầu tiên, các nhà khoa học đã thành công trong việc viễn chuyển một trạng thái có thứ nguyên 3 (“qutrit”). Trong vật lý lượng tử, không giống như trong khoa học máy tính cổ điển, không chỉ là “0” hoặc “1”, mà là cả hai đồng thời, hoặc bất cứ điều gì ở giữa đều có thể. Nhóm nghiên cứu Áo-Trung hiện đã chứng tỏ được điều này trong thực tế với khả năng thứ ba (ngoài “0” và “1”) là “2”.

 

 

Từ những năm 1990, người ta đã biết rằng viễn chuyển các trạng thái lượng tử có thứ nguyên bất kỳ d = 2, 3, 4,… là có thể về mặt lý thuyết. Tuy nhiên: “Trước tiên, chúng tôi phải thiết kế một phương pháp thực nghiệm để thực hiện viễn chuyển các trạng thái lượng tử có thứ nguyên cao, cũng như phải phát triển công nghệ cần thiết”, theo ông Manuel Erhard từ Viện Quang học Lượng tử và Thông tin Lượng tử của Viện Hàn lâm Khoa học Áo.

Trạng thái lượng tử dự định viễn chuyển được mã hóa theo các lộ trình khả dĩ mà một photon có thể truyền đi. Có thể hình dung những lộ trình này như ba sợi quang. Thú vị nhất là, trong vật lý lượng tử, một photon đơn lẻ cũng có thể truyền qua cả ba sợi quang cùng một lúc. Để viễn chuyển trạng thái lượng tử ba chiều (thứ nguyên 3) này, một phương pháp thực nghiệm mới đã được sử dụng. Cốt lõi của viễn chuyển lượng tử là phép đo Bell. Trong thực nghiệm này phép đo Bell dựa trên bộ tách chùm đa cửa (multiport beam splitter) để điều khiển các photon thông qua một số đầu vào và một số đầu ra và kết nối tất cả các sợi quang với nhau. Ngoài ra, các nhà thực nghiệm còn sử dụng thêm các photon phụ trợ – các photon này cũng được bắn vào bộ tách chùm đa cửa và có thể giao thoa với các photon khác.

Thông qua việc lựa chọn thông minh các cấu hình giao thoa nhất định, thông tin lượng tử đã mã hóa trong photon đầu vào có thể được chuyển sang một photon cách xa khác, mà hai photon này không hề có bất kỳ một tương tác vật lý nào trước đó. Phương pháp thực nghiệm mới này không bị hạn chế bơi thứ nguyên 3, mà về nguyên tắc có thể được mở rộng cho bất kỳ thứ nguyên d (d lớn hơn 3) nào, như Erhard nhấn mạnh.

 

 

Với kết quả này, nhóm nghiên cứu quốc tế cũng đã thực hiện một bước tiến quan trọng đối với các ứng dụng thực tế như internet lượng tử trong tương lai, vì các hệ lượng tử với thứ nguyên cao (“qudit”) có thể vận chuyển các lượng thông tin lớn hơn so với qubit. “Kết quả này có thể giúp kết nối các máy tính lượng tử với lượng thông tin vượt xa lượng thông tin mà các qubit có thể vận chuyển”, theo Anton Zeilinger, nhà vật lý lượng tử tại Viện Hàn lâm Khoa học Áo và Đại học Viên, khi nói về tiềm năng đổi mới của phương pháp thực nghiệm mới này.

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc tham gia trong thực nghiệm này cũng nhìn thấy những cơ hội tuyệt vời trong viễn chuyển lượng tử đa chiều. Jian-Wei Pan từ Đại học KH&CN Trung Quốc cho biết:  “Những điều cơ bản cho các hệ thống mạng lượng tử thế hệ tiếp theo sẽ  được dựa trên nghiên cứu cơ bản của chúng tôi ngày nay”. Gần đây, Pan đã có một bài giảng ở Viên theo lời mời của Đại học Viên và Viện Hàn lâm Khoa học Áo. 

Trong tương lai, các nhà vật lý lượng tử sẽ tập trung vào cách mở rộng những kiến thức mới thu được để tiến hành viễn chuyển toàn bộ trạng thái lượng tử tổng quát của một photon hoặc một nguyên tử.

Để biết thông tin chi tiết hơn, có thểxem Yi-Han Luo et al.: “Quantum Teleportation in High Dimensions”, Physical Review Letters 123, 070505 (2019). □

 

Nguồn:  https://phys.org/news/2019-08-complex-quantum-teleportation.html và https://physicsworld.com/a/quantum-teleportation-moves-into-the-third-dimension/