Siêu rối lượng tử đóng gói 18 qubit trong 6 photon với 3 bậc tự do: Phá vỡ kỷ lục thế giới về rối lượng tử
Thành tựu này hứa hẹn mở đường cho những ứng dụng thực tiễn mới, như thực hiện các tính toán lượng tử phức tạp nhất định mà cho tới nay mới chỉ được thảo luận về mặt lý thuyết và chưa bao giờ được tiến hành trên thực tế.
Rối lượng tử (entanglement) là hiện tượng kỳ bí nhất trong thế giới vi mô và không hề có đối chiếu trong thế giới vĩ mô. Nếu 2 hệ lượng tử A và B rối với nhau thì trạng thái của hệ toàn phần AB là xác định, trong khi đó trạng thái của từng hệ riêng biệt, A hoặc B, lại là không xác định. Khi trạng thái của hệ A (B) được xác định bởi một phép đo lượng tử trên hệ A (B) thì trạng thái của hệ B (A) cũng lập tức được xác định mà không cần bất cứ một phép đo nào trên hệ B (A). Đáng ngạc nhiên hơn, mối tương quan tức thì như vừa nói lại không phụ thuộc vào khoảng cách giữa các hệ A và B! Sinh thời Einstein đã hoàn toàn không chấp nhận hiện tượng rối lượng tử và đã cho rằng đó là tác động ma quỷ bất chấp khoảng cách (“Spooky action at a distance”). Nhưng Einstein đã sai! Ngày nay người ta đã kiểm chứng chắc chắn được rằng rối lượng tử là có thật và sự hiển diện của các trạng thái rối lượng tử cho phép thực hiện một số giao thức toàn cầu chỉ bằng các thao tác địa phương kết hợp với truyền thông cổ điển, điều không thể thực hiện được trong thế giới vĩ mô. Rối lượng tử cũng cho phép thực hiện một số tính toán phức tạp một cách cực nhanh mà không một hệ siêu máy tính cổ điển nào có thể làm được.
Khác với tính toán trên máy tính thông thường là dựa trên các bit cổ điển “0” và “1”, tính toán trên máy tính lượng tử theo các thuật giải lượng tử lại sử dụng các bit lượng tử (qubit). Mỗi qubit có thể ở trong trạng thái không xác định, không phải “0”, cũng không phải “1”, mà là cả hai cùng một lúc, và các qubit có thể tồn tại trong các trạng thái rối khác nhau. Điều này, về lý thuyết, cho phép thực hiện tất cả các loại tính toán mà máy tính thông thường không thể thực hiện được. Tuy nhiên, về công nghệ, tính toán lượng tử hiện nay chỉ mới đang ở giai đoạn thử nghiệm ban đầu.
Về nguyên tắc, bài toán càng phức tạp càng cần “đóng gói” nhiều qubit hơn trong một trạng thái rối. Thông thường mỗi photon (hay điện tử, nguyên tử hai mức, hạt có spin ½, …) được xem như một qubit. Một cách tự nhiên nhất, muốn đóng gói N qubit trong một trạng thái, cần làm rối N photon với nhau. Hiện nay 10 qubit đã được đóng gói trong một trạng thái rối gồm 10 photon [1]. Tuy nhiên, để làm rối vài photon với nhau thôi đã phải mất vài hoặc vài chục giây, một khoảng thời gian quá quá dài đối với các tính toán lượng tử, chưa nói để thực hiện mỗi phép tính lại phải bắt đầu một quá trình tạo rối mới. Hơn nữa, việc làm rối thêm một photon vào nhóm các photon đã được làm rối trước đó sẽ còn mất nhiều thời gian hơn. Do vậy, làm rối nhiều photon theo cách làm rối lần lượt từng photon là cách làm hoàn toàn không tối ưu.
Mỗi photon (hay bất cứ một loại hạt vi mô nào khác) có thể ở trong các trạng thái khác nhau được đặc trưng bởi các bậc tự do (degree of freedom) khác nhau. Thí dụ, một photon có thể được đặc trưng bởi bậc tự do phân cực trong trạng thái có phân cực dọc hoặc phân cực ngang hoặc cả hai; nó cũng có thể được đặc trưng bởi bậc tự do lộ trình không gian (spatial path degree of freedom) là truyền theo hướng này hay hướng khác hoặc cả hai hướng; hoặc bậc tự do moment quỹ đạo (orbital angular moment), v.v. Thường thì một thí nghiệm lượng tử chỉ khai thác một loại bậc tự do đối với tất cả các hạt trong thí nghiệm đó. Nếu khai thác cùng một lúc nhiều hơn một loại bậc tự do thì một hệ lượng tử có thể đóng gói N qubit trên M (M < N) hạt. Trạng thái rối sử dụng đồng thời nhiều bậc tự do, gọi là trạng thái siêu rối (hyperentanglement).
Các trạng thái siêu rối đã từng được tạo ra trước đây nhưng mới chỉ khai thác cùng lắm tới hai loại bậc tự do. Mới đây một kỷ lục đáng kinh ngạc về tạo siêu rối đã được thiết lập. Theo công bố ngày 28/6/2018 trên tạp chí Physical Review Letters [2], các nhà khoa học Trung Quốc vừa đóng gói thành công 18 qubit trên một trạng thái rối chỉ gồm 6 photon; có nghĩa là mỗi photon mang thông tin của 3 qubit. Mấu chốt là ở chỗ các nhà nghiên cứu đã lợi dụng thành công cùng lúc 3 bậc tự do của photon: bậc tự do phân cực, bậc tự do lộ trình không gian và bậc tự do moment quỹ đạo, điều chưa từng thấy từ trước tới nay. Điều này giống như bạn sử dụng sáu bit trong máy tính của bạn, nhưng mỗi bit lại có dung lượng thông tin nhiều gấp ba lần. Như vậy, cùng một lúc bạn có thể lưu trữ và xử lý tới 262144 dữ liệu khác nhau.
Hình 1. Sơ đồ thực nghiệm để tạo trạng thái rối 6 photon phân cực.
Sơ đồ thực nghiệm gồm 3 bước. Bước 1 khai thác bậc tự do phân cực của photon. Trong bước này (Hình 1) một chùm laser được chiếu lần lượt qua các cấu trúc gồm 1 đĩa bán sóng (ký hiệu là HWP) kẹp giữa 2 môi trường phi tuyến (ký hiệu là BBO) để tạo ra 3 cặp photon rối có dạng: 
, với 
là trạng thái phân cực ngang (dọc). Sau đó, photon 1 được lần lượt kết hợp với photon 3 và photon 5 trên các bộ tách chùm phân cực (ký hiệu là PBS). Thời gian truyền của các photon được điều chỉnh sao cho chúng đến các PBS cùng một lúc. Khi một và chỉ một photon xuất hiện ở mỗi đầu ra thì 6 photon đã được rối với nhau trong một trạng thái rối đa hạt kiểu Greenberger–Horne–Zeilinger [3] có dạng 
.
Hình 2. Sơ đồ thực nghiệm để tạo trạng thái siêu rối sử dụng cả bậc tự do lộ trình không gian (phía bên trái) và bậc tự do moment quỹ đạo (phía bên phải).
Để sử dụng bậc tự do lộ trình không gian, trong bước 2 từng photon được truyền qua một bộ tách chùm phân cực kép (Hình 2, phía bên trái). Mỗi photon trước đó đã cùng một lúc ở cả hai trạng thái phân cực và chỉ truyền theo một lộ trình không gian, nhưng sau khi đi qua bộ tách chùm phân cực kép thì bị tách ra thành hai lộ trình không gian: lộ trình trên (ký hiệu là U) ứng với phân cực ngang và lộ trình dưới (ký hiệu là D) ứng với phân cực dọc. Có nghĩa là trạng thái lúc đầu của photon 
sẽ chuyển thành 
, một kiểu siêu rối theo cả phân cực và lộ trình.
Sau cùng, bậc tự do moment quỹ đạo sẽ được khai thác trong bước 3 bằng cách chèn hai đĩa pha xoắn ốc (ký hiệu là SPP) vào cả hai lộ trình của mỗi photon (Hình 2, phía bên phải): photon đi theo lộ trình U sẽ có moment quỹ đạo kiểu ‘thuận tay phải’ (ký hiệu R) còn photon đi theo lộ trình D sẽ có moment quỹ đạo kiểu ‘thuận tay trái’ (ký hiệu L). Như vậy, sau 3 bước, mỗi photon sẽ đồng thời ở trong trạng thái siêu rối theo cả phân cực, lộ trình không gian và moment quỹ đạo dưới dạng 
. Bằng cách làm như trong các bước 2 và 3 với mỗi photon, bắt đầu từ trạng thái 6 photon rối theo bậc tự do phân cực (Hình 1), 18 qubit đã được đóng gói trong một trạng thái siêu rối mà chỉ cần có 6 photon 
, với 
là ký hiệu gọn cho 
Xác suất thành công để đóng gói 18 qubit trong 6 photon nhờ sử dụng cả 3 bậc tự do lớn hơn khoảng 13 bậc so với đóng gói cũng 18 qubit nhưng trong 18 photon khi chỉ sử dụng một bậc tự do.
Cũng cần phải nói thêm rằng việc tạo ra trạng thái siêu rối như thế này có thể thực hiện được đối với các photon nhưng đối với các dạng qubit khác, như các qubit trong các mạch siêu dẫn chẳng hạn, thì lại không hề dễ dàng. Chi tiết hơn có thể tham khảo thêm từ các trích dẫn trong [2] và [4].
—-
Tài liệu tham khảo
[1] L.K. Chen et al., Optica 4, 77 (2017)
[2] X.L. Wang et al., Physical Review Letters 120, 260503 (2018)
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Greenberger–Horne–Zeilinger_state
