Sơ đồ thể hiện quá trình lưu trữ. Ảnh bên trái thể hiện một photon vào (sóng màu hồng) đi vào môi trường lưu trữ caesium đồng thời với xung laser “ghi” (sóng màu lam). Một sóng “đọc” sau đó làm phục hồi photon đã lưu trữ. Ảnh bên phải thể hiện các mức năng lượng caesium có liên quan trong quá trình. (Ảnh: Ian Walmsley)
Các nhà vật lí ở Anh vừa tạo ra được một bộ nhớ lượng tử cho các photon hoạt động ở nhiệt độ phòng. Đột phá trên có thể giúp các nhà nghiên cứu phát triển một bộ lặp lượng tử cho phép thông tin lượng tử được truyền đi trên những cự li dài.
Các bit thông tin lượng tử (hay qubit) có thể được truyền đi bởi những photon và đưa vào sử dụng trong một số ứng dụng, trong đó có mật mã học. Những kế hoạch này hoạt động trên thực tế là photon có thể truyền đi những khoảng cách tương đối xa mà không tương tác với môi trường xung quanh chúng. Điều này có nghĩa là các qubit photon là có thể, nói thí dụ, giữ ở trong những trạng thái vướng víu với những qubit khác – cái thiết yếu cho nhiều kế hoạch thông tin lượng tử.
Tuy nhiên, trạng thái lượng tử của một photon sẽ dần dần bị thay đổi (hay suy giảm) do sự tán xạ khi nó truyền đi hàng trăm kilomet trong một môi trường như không khí hoặc sợi quang. Kết quả là các nhà nghiên cứu thiết tha phát triển những bộ lặp lượng tử, dụng cụ nhận tín hiệu bị suy giảm, lưu trữ nó trong chốc lát, và sau đó phát đi một tín hiệu mới. Theo kiểu như vậy, theo lời Ian Walmsley thuộc trường Đại học Oxford, “bạn có thể xây dựng sự vướng víu trên những khoảng cách lớn hơn nhiều”.
Khó sửa chữa
Bộ nhớ lượng tử, dụng cụ lưu trữ và phát photon trở lại, là bộ phận thiết yếu của bộ lặp lượng tử. Từ trước đến nay, những dụng cụ như thế được tạo ra trong phòng thí nghiệm phải giữ ở những nhiệt độ cực lạnh hoặc dưới điều kiện chân không. Chúng còn có xu hướng hoạt động trên ngưỡng bước sóng ánh sáng rất hẹp và lưu trữ qubit trong khoảng thời gian rất ngắn. Walmsley và các đồng nghiệp của ông cho rằng việc sử dụng những hệ khó tính như thế trong sự truyền thông lượng tử liên lục địa là bất khả thi, vì những đường truyền này cần xuyên đại dương hoặc những khu vực xa xôi khác, cho nên khó đưa người đến sửa chữa một hệ thống chân không hay một hệ thống đông lạnh bị hỏng.
Ngoài ra, chúng cũng sẽ hấp thụ một ngưỡng rộng tần số ánh sáng và lưu trữ dữ liệu trong những khoảng thời gian dài hơn nhiều so với độ dài của một xung tín hiệu. Walmsley gọi sự kết hợp này là một bước quan trọng trong việc xây dựng những mạng lưới lớn. Ngưỡng rộng tần số có nghĩa là bộ nhớ đó có thể xử lí những dung lượng dữ liệu lớn hơn, trong khi thời gian lưu trữ lâu cho phép dễ dàng tích lũy nhiều photon với trạng thái lượng tử như mong muốn.
Hướng đến mục tiêu này, Walsley và đội của ông đã đưa một đám mây nguyên tử caesium vào trong một bộ nhớ lượng tử hoạt động ở một nhiệt độ dễ dàng đạt tới là 62oC. Không giống như những bộ nhớ lượng tử trước đây, các photon lưu trữ và phát trở lại không phải điều chỉnh đến một tần số mà các electron caesium muốn hấp thụ. Thay vào đó, một xung phát ra từ một laser hồng ngoại điều khiển biến đổi photon đó thành một “sóng spin”, mã hóa nó trong spin của các electron và hạt nhân caesium.
Sơn đen
Walmsley so sánh đám nguyên tử caesium với một tấm thủy tinh – trong suốt, nên nó cho phép ánh sáng đi qua. Trước tiên, laser sơn đen tấm kính theo nghĩa ví von, cho phép nó hấp thụ mọi ánh sáng đi tới nó. Tuy nhiên, thay vì trở nên tiêu tán dưới dạng nhiệt và giống như cái xảy ra ở thủy tinh bị sơn đen, ánh sáng đi vào đám mây caesium bị hấp thụ trong sóng spin.
Đến 4 µs sau đó, một xung laser thứ hai biến đổi sóng spin trở lại thành photon và làm cho caesium trở lại trong suốt với ánh sáng. Các nhà nghiên cứu cho biết hiệu suất 30% của caesium trong việc hấp thụ và tái phát xạ photon có thể tăng lên với những xung laser điều khiển có năng lượng cao hơn, trong khi thời gian lưu trữ có thể cải thiện với sự che chắn tốt hơn khỏi từ trường tản lạc, nguyên nhân làm nhiễu spin ở các nguyên tử caesium.
Ngay cả ở hiệu suất 30%, Ben Buchler thuộc trường Đại học quốc gia Australia ở Canberra vẫn gọi dụng cụ trên là “một bàn thắng lớn” vì nó hấp thụ một dải rộng tần số photon. Do nguyên lí bất định Heisenberg, những xung photon độc thân cực ngắn từ những nguồn ngày nay phát ra không có năng lượng rạch ròi cho lắm, cho nên một bộ lượng tử hữu dụng trước mắt phải có thể hấp thụ một dải rộng tần số - cái theo Buchler cho đến nay các bộ nhớ lượng tử hiệu suất cao vẫn chưa làm được.
Nhiễu không quan trọng lắm
Sự nhiễu nền, hay những photon thừa phát ra trong đám mây caesium không liên quan đến những photon tín hiệu, là mối quan ngại chính đối với các bộ nhớ nhiệt độ phòng. “Người ta nghĩ rằng nếu bạn bắt đầu sử dụng các chất khí nhiệt độ phòng trong mốt lưu trữ, thì bạn ắt có rất nhiều sự nhiễu”, Walmsley nói.
Nhiệt độ gần không độ tuyệt đối làm khử mất những photon thừa này. Nhưng vì các xung điều khiển và xung tín hiệu tại bố trí thí nghiệm của đội Oxford lệch xa tần số ưa chuộn của caesium, nên đám mây kém nhạy với những kích thích sản sinh photon và mức nhiều vẫn nhỏ ở nhiệt độ phòng.
Hugues de Riedmatten thuộc Viện Khoa học Quang lượng tử ở Barcelona, Tây Ban Nha, cho biết các nhà nghiên cứu trên đã chứng tỏ rằng sự nhiễu còn lại là yếu tố cơ bản đối với hệ, chứ không phải do bố trí thí nghiệm gây ra. Nếu các cải tiến không thể hạ bớt sự nhiễu trên, thì thách thức sẽ là việc duy trì tình trạng nguyên vẹn của tín hiệu trong một mạng lưới lớn và phức tạp.
Tuy nhiên, ông nói “Phương pháp này có tiềm năng rất hấp dẫn vì nó có thể dẫn tới một bộ nhớ lượng tử cho các qubit photon độc thân ở nhiệt độ phòng, đó sẽ là thành tựu lớn đối với ngành khoa học thông tin lượng tử”.
Nguồn: physicsworld.com
