Phát triển thành công lớp tiếp xúc lượng tử giữa ánh sáng và nguyên tử

Các nhà vật lí người Đức tại trường đại học Mainz ở Johannes Gutenberg vừa phát triển được một lớp tiếp giáp xúc lượng tử nối kết các hạt ánh sáng và các nguyên tử.

Lớp tiếp xúc lượng tử Mainz. Sử dụng ánh sáng laser truyền qua một sợi thủy tinh hình nêm, các nguyên tử cesium bị bẫy theo các eo thắt cực mỏng của nó. Phần chính giữa của sợi mỏng hơn cả bước sóng của bản thân ánh sáng. Hệ quả là ánh sáng thò ra vào không  gian xung quanh sợi và ghép cặp với các nguyên tử bị bẫy.

Lớp tiếp xúc trên xây dựng trên một sợi thủy tinh cực mỏng và thích hợp cho sự truyền thông tin lượng tử. Đây cơ bản là một điều kiện tiên quyết cho sự truyền thông lượng tử dùng trong sự truyền dữ liệu an toàn thông qua mã khóa lượng tử. “Lớp tiếp xúc lượng tử của chúng tôi cũng tỏ ra có ích cho việc hiện thực hóa máy tính lượng tử”, theo giáo sư tiến sĩ Arno Rauschenbeutel ở Viện Vật lí tại Đại học Mainz.

Ngày nay, điện thoại và Internet chủ yếu hoạt động trên sự truyền dữ liệu quang học, sử dụng đường dây cáp sợi thủy tinh. Theo một ý nghĩa nào đó, mạng lưới sợi thủy tinh có thể xem là giàn khung xương của xã hội truyền thông hiện đại. Ánh sáng truyền qua chúng không phải là những dòng năng lượng liên tục. Thay vào đó, như Albert Einstein khám phá, nó gồm những lượng tử năng lượng không thể phân chia, hay các photon. Mỗi photon có thể truyền một bit thông tin, tương ứng với 0 hoặc 1.

Ngoài chỗ rất hiệu quả, kĩ thuật này còn mở ra lộ trình hướng đến những phương thức truyền thông hoàn toàn mới mẻ vì, là những đối tượng lượng tử, các photon có thể tồn tại đồng thời ở cả hai trạng thái, 0 và 1. Lấy thí dụ, tính chất này là cái làm cho mã khóa lượng tử trở nên khả thi và nhờ đó cho phép bảo vệ tuyệt đối chống lại sự nghe trộm thông tin.

Tuy nhiên, để khai thác trọn vẹn tiềm năng của sự truyền thông lượng tử, người ta còn cần đến khả năng lưu trữ thông tin lượng tử đã mã hóa trên mỗi photon. Bản thân các photon không thích hợp cho lắm đối với mục đích này vì người ta không thể giữ chúng tại một vị trí cho trước. Do đó, sẽ tiện lợi hơn nhiều và truyền thông tin lượng tử đó sang các nguyên tử. Với mục đích này, người ta cần đến một lớp tiếp xúc giữa các photon và các nguyên tử mà trên lí thuyết sẽ dễ dàng tích hợp vào trong mạng lưới sợi quang.

Một nhóm nhà vật lí đứng đầu là giáo sư Arno Rauschenbeutel đã hiện thực hóa thành công một lớp tiếp xúc lượng tử gốc sợi thủy tinh như vậy. Như đội khoa học trình bày trên số ra hiện nay của tạp chí khoa học Physical Review Letters, trọng tâm của công trình nghiên cứu ở Mainz là một sợi thủy tinh được làm nóng và kéo căng cho đến khi nó chỉ đo bằng một phần trăm đường kính của một sợi tóc người.

Đáng chú ý là sợi nano này mỏng hơn cả bước sóng của ánh sáng mà nó dẫn hướng. Hệ quả là ánh sáng không còn bị hạn chế bên trong của sợi nano mà thò ra theo chiều ngang vào không gian xung quanh sợi. Sử dụng cái gọi là trường phù du này, các nhà khoa học đã bẫy các nguyên tử cesium sau khi chúng được làm lạnh đến vài phần triệu của một độ trên không độ tuyệt đối bằng cách chiếu vào đó một ánh sáng laser chọn lọc thích hợp. Khi bị bẫy, các nguyên tử sắp xếp trong một mẫu đều đặn và được nâng lên 200 nm phía trên bề mặt của sợi nano.

Khoảng cách này có vẻ rất nhỏ nhưng thật ra nó đủ lớn để bảo vệ các nguyên tử khỏi những ảnh hưởng giả mạo của bề mặt sợi. Đồng thời, các nguyên tử cư trú trong trường phù du và do đó tương tác với các photon đang truyền qua sợi nano.

Như các nhà nghiên cứu chứng minh, quá trình hiệu quả đến mức chỉ hai nghìn nguyên tử là đủ để tiến gần đến sự truyền không tổn thất của thông tin lượng tử giữa các photon và nguyên tử. Những ứng dụng khả dĩ khác của lớp tiếp xúc lượng tử Mainz gồm có sự kết nối của những hệ lượng tử khác nhau. Lấy thí dụ, các ion bị bẫy có thể mang vào vùng phụ cận gần gũi của một mạch lượng tử siêu dẫn để kết hợp các tính chất nổi trội của cả hai hệ. Khi đó, đây sẽ là một bước phát triển quan trọng hướng đến sự hiện thực hóa của máy tính lượng tử.

Theo PhysOrg.com