Tạo ra các trạng thái lượng tử trong các thiết bị điện tử thông thường

Sau hàng thập kỷ tiểu hình hóa, các cấu phần điện tử mà chúng ta vẫn dùng để lắp đặt các máy tính và các công nghệ hiện đại đều đã chạm đến những giới hạn cơ bản. Đối mặt với những thách thức đó, các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đã chuyển hướng tới một mẫu hình hoàn toàn mới: các công nghệ thông tin lượng tử.

Công nghệ lượng tử, vốn vận hành dựa trên các quy luật kỳ lạ chi phối các hạt ở mức độ nguyên tử, thường được nghĩ là quá tinh tế để cùng tồn tại trên các thiết bị điện tử mà chúng ta sử dụng hàng ngày như điện thoại, máy tính xách tay và ô tô. Dẫu vây, các nhà khoa học ở trường Kỹ thuật sinh tử Pritzker của trường đại học Chicago mới loan báo một đột phá đầy ý nghĩa: các trạng thái lượng tử có thể được tương hợp và kiểm soát trong các thiết bị điện tử được làm từ silic cacbua (silicon carbide SIC).

“Năng lực để tạo ra và kiểm soát các bit lượng tử hiệu naqng cao trong các thiết bị điện tử thương mại là một điều hết sức ngạc nhiên”, David Awschalom, giáo sư Liew Family tại trường và là nhà tiên phong về công nghệ lượng tử, đánh giá. “Những khám phá này đã thay đổi cách chúng tôi nghĩ về việc phát triển các công nghệ lượng tử – có lẽ chúng tôi có thể tìm được cách sử các thiết bị điện tử ngày nay để tạo ra các thiết bị lượng tử”.

Trong hai bài báo xuất bản trên Science và Science Advances, nhóm nghiên cứu Awschalom đã chứng minh họ có thể kiểm soát các trạng thái lượng tử được làm từ silic cacbua. Đột phá này có thể hứa hẹn khiến cho việc thiết kế và chế tạo các thiết bị điện tử lượng tử dễ dàng hơn – khác bệt với việc sử dụng những  vật liệu lạ mà các nhà khoa học cần dùng cho các thí nghiệm lượng tử như các kim loại siêu dẫn, các nguyên tử nhẹ hay kim cương.

Những trạng thái lượng tử trong silic cacbua đem lại thêm lợi ích là có thể phát ra các hạt ánh sáng đơn lẻ với một bước sóng gần với dải tần số viễn thông. “Điều này khiến chúng phù hợp hơn với việc truyền thông ở khoảng cách lớn thông qua mạng cáp quang hiện đang truyền đi tới 90% dữ liệu quốc tế đi khắp thế giới”, Awschalom, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và giám đốc Chicago Quantum Exchange.

Do đó, những hạt ánh sáng có thể tăng thêm những đặc tính mới thú vị khi kết hợp với các thiết bị điện tử đang có. Ví dụ, trong bài báo đăng trên Science Advances, nhóm nghiên cứu đã có thê tạo ra những gì mà Awschalom gọi là “radio FM lượng tử” theo cùng cách âm nhạc được truyền qua radio trên ô tô của bạn, thông tin lượng tử cũng có thể được gửi đi  trên những khoảng cách dài.

“Lý thuyết đều nói, để đạt tới việc kiểm soát lượng tử tốt trong một vật liệu, nó phải trong các trường dao động tự do và thuần khiết”, Kevin Miao, tác giả thứ nhất của bài báo, nói. “Kết quả của chúng tôi cho thấy với thiết kế đúng đắn, một thiết bị không chỉ làm giảm bớt tạp chất mà còn tạo được ra các hình thức kiểm soát mà trước đây không thể thực hiện được”.

Trong bài báo trên Science, họ miêu tả đột phá thứ hai nhằm giải quyết ,ppyk vấn đề chung của công nghệ lượng tử: nhiễu.

“Các tạp chất có mặt ở trong tất cả các thiết bị bán dẫn, và tại mức lượng tử, các tạp chất này có thể dẫn đến việc thông tin lượng tử được tạo ra trong một môi trường điện tử nhiễu”, Chris Anderson, một đồng tác giả của bài báo này, cho biết. “Đây là một vấn đề gần như phổ quát với các công nghệ lượng tử”.

Nhưng bằng việc sử dụng một trong những thành phần cơ bản của điện tử— diode, một loại linh kiện chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều – nhóm nghiên cứu đã khám phá ra một kết quả không ngờ tới khác: tín hiệu lượng tử đột ngột trở nên phi nhiễu và hầu như giữ điều đó ở mức hoàn hảo.

“Trong các thí nghiệm của mình, chúng tôi cần sử dụng các tia laser, vốn đẩy các điện tích đi vòng quanh. Nó giống như một cuộc chơi ghế âm nhạc với các điện tích; khi ánh sáng chiếu đến các điểm dừng thì một  hình dạng khác xuất hiện”, Alexandre Bourassa, một đồng tác giả thứ nhât của bài báo, giải thích. “Vấn đề là hình dạng ngẫu nhiên của các điện tích ảnh hưởng đến trạng thái lượng tử của chúng tôi. Nhưng chúng tôi đã tìm thấy cách áp những điện trường để loại các điện tích từ hệ này và làm cho nó trở nên bền vững hơn”.

Bằng việc tương hợp cơ chế lượng tử kỳ lạ của vật lý với công nghệ bán dẫn cổ điển được phát triển rất hoàn hảo, Awschalom và nhóm nghiên cứu của mình đã tiến thêm một bước trên con đường tiến tới cách mạng hóa công nghệ lượng tử.

“Công trình này đã đưa chúng tôi tiến một bước gần hơn tới việc hiện thực hóa các hệ có năng lực lưu trư và phân phối thông tin lượng tử khắp các mạng lưới cáp quang của thế giới”, Awschalom nói. “Nhiều mạng lượng tử có thể mang đến một lớp công nghệ mới cho phép chúng ta tạo ra các kênh truyền thông không thể bị tấn công, viễn tải các trạng thái đơn lẻ và hiện thực hóa một internet lượng tử”.

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-12-breakthrough-scientists-quantum-states-everyday.htmla