Phát triển các bit lượng tử phân tử có thể giao tiếp ở các tần số viễn thông

Các bit lượng tử độc đáo này kết nối ánh sáng và từ tại cấp độ lượng tử, qua đó khiến chúng có tiềm năng trở thành những khối cơ bản đầy sức mạnh cho các công nghệ lượng tử.

Một nhóm các nhà khoa học tại ĐH Chicago, ĐH California Berkeley, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley đã phát triển các bit lượng tử phân tử có thể bắc cầu qua khoảng trống giữa ánh sáng và từ – và vận hành tại cùng các tần số như công nghệ viễn thông. Tiên tiến kỹ thuật này, được xuất bản trên Science, đã thiết lập một khối cơ bản mới đầy hứa hẹn cho các công nghệ lượng tử có khả năng mở rộng quy mô, có thể tích hợp liền lạc với các mạng lưới cáp quang hiện nay.

Do các bit lượng tử phân tử mới có thể tương tác tại các tần số dải viễn thông, công trình này mở ra các mạng lưới lượng tử tương lai – vẫn được gọi là ‘internet lượng tử’. Nhiều mạng lưới có thể cho phép các kênh truyền thông siêu bảo mật, kết nối các máy tính lượng tử ở khoảng cách xa, và phân phối các cảm biến lượng tử với độ chính xác chưa từng có. Các bit lượng tử phân tử có thể đóng vai trò như những cảm biến lượng tử siêu nhạy; kích thước nhỏ gọn của chúng và sự linh hoạt về hóa học khiến chúng có thể được nhúng vào các môi trường thông thường – như các hệ sinh học – để đo từ trường, nhiệt độ hoặc áp suất ở cấp độ nano. Và do chúng tương thích với các silicon photonics, các phân tử đó có thể được tích hợp trực tiếp vào các chip, tiến trên con đường tới các linh kiện lượng tử nhỏ gọn, có thể hữu dụng cho máy tính, truyền thông hoặc cảm biến.

Bit lượng tử phân tử mới chứa nguyên tố đất hiếm erbium. Đất hiếm thường được sử dụng trong các công nghệ cổ điển cũng như các công nghệ lượng tử mới nổi, bởi vì chúng hấp thụ và phát xạ ánh sáng rất “sạch” so với những nguyên tố khác và chúng cũng tương tác mạnh với từ trường.

“Các phân tử đó có thể đóng vai trò như cây cầu ở cấp độ nano giữa thế giới từ và thế giới quang,” theo Leah Weiss, postdoct tại Trường Kỹ thuật phân tử Pritzker, ĐH Chicago (UChicago PME) và là đồng tác giả bài báo. “Thông tin có thể đượcc mã hóa trong trạng thái từ và sau đó tiếp cận ánh sáng tại các bước sóng tương thích với các công nghệ đang được phát triển là cơ sở của các mạng lưới cáp quang và các mạch silicon photonic.”

Ở cấp độ lượng tử, mối quan hệ giữa ánh sáng và từ rất tinh tế và phức tạp. Ánh sáng là cách thông tin lượng tử được lan truyền và đọc, từ là kết nối sâu sắc với “spin”, một đặc tính lượng tử độc đáo làm cơ sở cho vô số công nghệ lượng tử như cảm biến và các dạng cụ thể của máy tính lượng tử. Công trình này được xây dựng trên nền tảng của hai lĩnh vực, quang lượng tử  – với những ứng dụng trong laser và các mạng lưới lượng tử – và hóa tổng hợp – liên quan đến những vật tư sử dụng trong các cỗ máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) – để thiết lập một khối cơ bản phân tử có thể bắc cầu qua khoảng trống giữa chúng. 

“Hóa học đất hiếm đem đến một sự kết hợp tình cờ các đặc tính cho phép chúng tôi đem những năng lực đó đến một hệ phân tử,” theo Grant Smith, sinh viên tại PME và tác giả thứ nhất của bài báo. “Có nhiều điều cho thấy đây là một nền tảng thú vị để thúc đẩy việc sử dụng các bậc quang tự do trong các bit lượng tử spin phân tử. Một trong những trọng tâm của công trinh này, và công trình trong phòng thí nghiệm, là chúng tôi mốn mở rộng toàn bộ các hệ lượng tử và vật liệu lượng tử mà chúng tôi có thể kiểm soát và tương tác.” Băngd cách này, anh nói, “bạn có thể bắt đầu nghĩ theo những cách mới mẻ và khác thường để sử dụng và tích hợp chúng vào các công nghệ.”

Sử dụng quang phổ quang học và các kỹ thuật vi sóng, nhóm nghiên cứu đã chứng tỏ các bit lượng tử phân tử erbium có thể hữu dụng ở các tần số tương thích với silicon photonics, vốn được sử dụng trong viễn thông, máy tính hiệu năng cao, và các cảm biến tiên tiến. Các nhà nghiên cứu cho biết, sự tương thích với các công nghệ trưởng thành có thể làm gia tốc sự phát triển của các nền tảng phân tử–photonic lai cho các mạng lưới lượng tử.

“Bằng việc chứng tỏ sự tinh tế của các bit lượng tử phân tử erbium, chúng tôi đang tiến thêm một bước hướng đến các mạng lưới lượng tử có thể mở rộng quy mô, có thể nối trực tiếp vào các cơ sở hạ tầng quang hiện nay, theo David Awschalom, giáo sư Kỹ thuật phân tử và vật lý Liew Family tại ĐH Chicago và chủ nhiệm đề tài. “Chúng tôi cũng chứng tỏ các bit lượng tử được chỉnh sửa về nguyên tử có những năng lực cần thiết cho các kiến trúc nhiều bit lượng tử, mở ra cánh cửa đến với một phổ rộng ứng dụng, bao gồm cảm biến lượng tử và các hệ lượng tử lai hữu cơ – vô cơ”. 

Cả Weiss và Smith đều nhấn mạnh vào tầm quan trọng của sự hợp tác với các nhà hóa học ở UC Berkeley, cụ thể với đồng tác giả thứ nhất Ryan Murphy trong nhóm nghiên cứu của Jeffrey Long, gọi đó là “vô cùng quan trọng” với công trình và là “một đặc ân.” 

“Hóa học phân tử tổng hợp đem lại một cơ hội cho tối ưu các đặc tính điện tử và quang của ion đất hiếm theo những cách có thể vô cùng khó với các chất nền ở trạng thái rắn thông thường,” Murphy nói. “Nghiên cứu này chỉ mới chỉ chạm đến bề mặt của những gì chúng tôi nghĩ là mình có thể thực hiện.”

“Công trình của chúng tôi chứng tỏ hóa học tổng hợp có thể hữu dụng trong thiết kế và kiểm soát  các vật liệu lượng tử tại cấp độ phân tử,” theo Long, giáo sư hóa tại UC Berkeley và đồng  chủ nhiệm. “Điều này chỉ ra một tuyến đường hiệu quả cho việc tạo ra các hệ lượng tử được thiết kế với những ứng dụng cho mạng lưới, cảm biến và máy tính lượng tử”.

Nghiên cứu được Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng Mỹ và Q-NEXT, Trung tâm nghiên cứu Khoa học thông tin lượng tử quốc gia DOE, tài trợ. 

Thanh Hương dịch từ ĐH Chicago

Nguồn: https://pme.uchicago.edu/news/researchers-develop-molecular-qubits-communicate-telecom-frequencies