Một đơn nguyên tử và một BEC ở hai phòng thí nghiệm cách xa nhau đóng vai trò những nút mạng trong một mạng lượng tử cơ bản.
Các nhà khoa học tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck đã làm vướng víu cơ lượng tử hai hệ lượng tử ở xa nhau.
Do những hệ quả kì lạ của nó mà hiện tượng vướng víu cơ lượng tử bị Albert Einstein đặt cho cái tên là “tác dụng ma quỷ từ xa”. Trong vài năm vừa qua, các nhà vật lí đã và đang phát triển những khái niệm khai thác hiện tượng này cho những ứng dụng thực tế như sự truyền dữ liệu an toàn tuyệt đối. Vì mục đích này, sự vướng víu được tạo ra trong một quá trình định xứ phải được phân bố trong những hệ lượng tử ở xa. Một đội gồm các nhà khoa học dưới sự chỉ đạo của giáo sư Gerhard Rempe, giám đốc Viện Quang học Lượng tử Max Planck và là trưởng phân viện Động lực học Lượng tử, vừa chứng minh được rằng hai hệ lượng tử nguyên tử ở xa nhau có thể đưa vào một trạng thái “vướng víu” chia sẻ (Physical Review Letters, bản trực tuyến, ngày 26/5/2011): một hệ là một đơn nguyên tử bị bẫy trong một bộ cộng hưởng quang học; hệ kia là một ngưng tụ Bose-Einstein gồm hàng trăm nghìn nguyên tử cực lạnh. Với hệ lai này, các nhà nghiên cứu đã hiện thực hóa một viên gạch cấu trúc cơ bản của một mạng lượng tử.
Trong hiện tượng vướng víu cơ lượng tử, hai hệ lượng tử được ghép đôi sao cho tính chất của chúng trở nên tương quan chặt chẽ với nhau. Điều này đòi hỏi các hạt phải ở gần nhau. Tuy nhiên, đối với nhiều ứng dụng trong mạng lượng tử, điều cần thiết là sự vướng víu được chia sẻ giữa hai nút mạng ở xa nhau (bit lượng tử “tĩnh”). Một cách đạt tới yêu cầu này là sử dụng photon (bit lượng tử “đang bay”) để vận chuyển sự vướng víu. Đây là cái gì đó na ná như sự viễn thông cổ điển, trong đó người ta sử dụng ánh sáng để truyền tải thông tin giữa các máy vi tính hoặc điện thoại. Tuy nhiên, trong trường hợp một mạng lượng tử, công việc này khó khăn hơn nhiều vì các trạng thái lượng tử bị vướng víu là cực kì mong manh và chỉ có thể tồn tại nếu như các hạt cách li tốt với môi trường xung quanh chúng.
Đội của giáo sư Rempe vừa vượt qua chướng ngại này với việc đưa hai hệ lượng tử nguyên tử nằm tại hai phòng thí nghiệm khác nhau vào một trạng thái vướng víu: ở bên này, một đơn nguyên tử rubidium bị bẫy bên trong một bộ cộng hưởng quang hình thành bởi hai gương phản xạ cao; ở bên kia, một tập hợp gồm hàng trăm nghìn nguyên tử rubidium cực lạnh hình thành nên một ngưng tụ Bose-Einstein (BEC). Trong một BEC, tất cả các hạt có cùng tính chất lượng tử nên chúng tác dụng như thể một “siêu nguyên tử” đơn lẻ.
Trước hết, một xung laser kích thích đơn nguyên tử đó phát ra một photon độc thân. Trong quá trình này, mức độ tự do nội tại của nguyên tử kết hợp với sự phân cực của photon, nên cả hai hạt trở nên bị vướng víu. Photon đó được truyền tải qua sợi quang dài 30 m đến một phòng thí nghiệm láng giềng, nơi nó được đưa vào BEC. Ở đó, nó bị hấp thụ bởi toàn bộ tập hợp nguyên tử. Quá trình này biến đổi photon thành một kích thích tập thể của BEC. “Sự trao đổi thông tin lượng tử giữa photon và hệ lượng tử nguyên tử đòi hỏi một tương tác ánh sáng-vật chất mạnh”, Matthias Lettner, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tham gia trong thí nghiệm trên, giải thích. “Đối với đơn nguyên tử, chúng ta thu được kết cục này bởi những phản xạ bội giữa hai gương cộng hưởng, còn đối với BEC thì tương tác ánh sáng-vật chất được tăng cường bởi số lượng lớn nguyên tử”.
Trong bước tiếp theo, các nhà vật lí chứng tỏ rằng đơn nguyên tử đó và BEC thật sự bị vướng víu. Tại đầu này, photon bị hấp thụ trong BEC được hồi phục lại với sự hỗ trợ của một xung laser và trạng thái của đơn nguyên tử đó được đọc ra bởi sự phát ra một photon thứ hai. Sự vướng víu của hai photon đạt tới95% giá trị tối đa có thể có, vì thế chứng tỏ sự vướng víu của hai hệ lượng tử nguyên tử cũng tốt như vậy, hoặc thậm chí tốt hơn nữa. Ngoài ra, sự vướng víu đó là có thể phát hiện ra trong thời gian xấp xỉ 100 micro giây.
“BEC rất thích hợp để làm bộ nhớ lượng tử vì trạng thái kì lạ này không chịu bất kì sự nhiễu loạn nào do chuyển động nhiệt gây ra”, Matthias Lettner nói. “Điều này cho phép người ta lưu trữ và hồi phục thông tin lượng tử với hiệu quả cao và bảo toàn trạng thái này trong một thời gian dài”.
Trong thí nghiệm này, đội của giáo sư Rempe đã hiện thực hóa một viên gạch cấu trúc cho một mạng lượng tử gồm hai nút mạng cố định, bị vướng víu, ở xa nhau. Đây là cột mốc quan trọng trên hành trình hướng đến những mạng lượng tử quy mô lớn trong đó, thí dụ, thông tin lượng tử có thể truyền đi an toàn tuyệt đối. Ngoài ra, những mạng như vậy có thể giúp hiện thực hóa một máy tính lượng tử phổ thông trong đó những bit lượng tử có thể trao đổi với những photon giữa những nút được thiết kế cho sự lưu trữ và xử lí thông tin.
Nguồn: Max-Planck-Gesellschaft, PhysOrg.com
