Hai nhóm nhà vật lí độc lập nhau vừa có một bước tiến bộ quan trọng hướng đến việc tạo ra một máy vi tính lượng tử thực tế với việc chỉ ra được làm thế nào truyền các electron độc thân trên những khoảng cách tương đối dài giữa các chấm lượng tử. Cả hai kế hoạch đều sử dụng sóng âm trên bề mặt của một chất liệu để đẩy các electron đi giữa các chấm lượng tử - những mảnh chất bán dẫn kích cỡ dưới micron. Hai đội đều tin chắc rằng họ sẽ sớm có thể chứng minh các electron đi tới mục tiêu của chúng với thông tin lượng tử còn nguyên vẹn, biến hệ trên thành một “bus truyền dữ liệu lượng tử” khả thi cho một máy vi tính lượng tử.
Máy vi tính lượng tử, khai thác những hiện tượng lượng tử thuần túy như sự chồng chất và sự vướng víu, trên nguyên tắc sẽ có thể vượt qua máy vi tính cổ điện ở những công việc nhất định. Nhưng việc xây dựng một máy vi tính lượng tử thực tế vẫn là một thách thức vì các thực thể vật lí lưu trữ và truyền các bit thông tin lượng tử (qubit) khó triển khai và dễ bị phá hỏng.
Ưu điểm của việc sử dụng các chấm lượng tử làm qubit là chúng có thể giữ không, một, hoặc hai electron, nhờ đó xác định “trạng thái lôgic” của dữ liệu lượng tử. Ngoài ra, hai electron trong một chấm là bị vướng víu – một điều kiện kiên trì cho dù một electron bị thận trọng lấy đi và truyền đi đến nơi xa nào đó. Quá trình này, gọi là “sự viễn tải lượng tử”, có thể giữ một vai trò quan trọng trong máy vi tính lượng tử.
Ảnh minh họa làm thế nào một electron độc thân truyền đi giữa hai chấm lượng tử ở xa nhau. Kênh dẫn dài được thể hiện với các điện cực ở hai đầu và các chấm lượng tử là chỗ electron (quả cầu màu vàng) bắt đầu và kết thúc hành trình của nó. (Ảnh: Laurent Revellin, Service Communication CNRS-Alpes)
Tránh sự mất kết hợp
Trong khi các nhà vật lí có thể truyền xác thực một electron độc thân đi những khoảng cách ngắn giữa những chấm lượng tử liền kề, thì việc di chuyển nó đi vòng quanh một mạch tích hợp chứa hàng trăm hoặc hàng nghìn qubit là một thử thách lớn. Vấn đề là một electron trong kim loại hoặc chất bán dẫn di chuyển qua một “biển” mênh mông gồm những electron khác có thể làm hỏng sự vướng víu. Một cách tránh được “sự mất kết hợp” này là về cơ bản trút tháo biển electron đó vào những kênh dẫn thích hợp trong mạch điện – làm cho chúng cách điện. Thử thách khi đó là làm thế nào cấp đủ năng lượng cho electron để đưa nó bay qua kênh dẫn mà không gây ra sự mất kết hợp.
Tuy nhiên, nay Tristan Meunier và các đồng nghiệp tại Viện Néel ở Grenoble, Đại học Tokyo, và Đại học Bochum ở Đức – và, một cách độc lập, Rob McNeil và các đồng nghiệp tại trường Đại học Cambridge ở nước Anh – vừa nghĩ ra một cách giải quyết vấn đề đó. Hai đội đã chế tạo những dụng cụ bán dẫn giống nhau, mỗi dụng cụ có hai chấm lượng tử cách nhau vài micron. Ở cả hai dụng cụ, các chấm được nối với nhau bằng một kênh bán dẫn hẹp giữa hai điện cực.
Minh họa diện mạo thế năng của dụng cụ Cambridge nhìn từ phía một electron. Kênh xả nằm ở giữa hình, với các chấm lượng tử ở hai đầu là nơi nhiều điện cực gặp nhau. Một SAW đang truyền đi theo kênh dẫn từ phía dưới bên phải và một electron sẽ được mang đi với năng lượng dẫn tối thiểu. (Ảnh: Đại học Cambridge)
Để xả hết toàn bộ electron dẫn của kênh dẫn, hai đội tác dụng một điện áp âm lên cả hai điện cực. Cú hích được tạo ra bởi một đầu nhọn áp điện bơm một xung sóng âm bề mặt (SAW) vào kênh dẫn. SAW là một sóng âm truyền đi trên bề mặt của một kim loại, trong đó nó làm cho các ion dương trong kênh dao động tới lui. Kết quả là một điện trường biến thiên lái các electron về phía trước.
Truyền cực kì nhanh
Meunier và các đồng nghiệp sử dụng một đầu nhọn áp điện, có khả năng lái một electron đi 3 µm giữa hai chấm trong vòng chỉ 1 ns. Thời gian này nhanh hơn nhiều so với vài ba micro giây cần thiết cho sự mất kết hợp phá hỏng một qubit chấm lượng tử, cái cần thiết cho một máy vi tính lượng tử. Trong khi đó, ở Cambridge, McNeil và các đồng sự sử dụng hai đầu nhọn áp điện đối diện nhau để phản xạ một electron tới lui giữa hai chấm lượng tử cách nhau 4 µm. Thật vậy, MnNeil cho biết họ có thể làm như vậy đến 60 lần, nghĩa là electron đó truyền đi quãng đường tổng cộng 0,25 mm.
Cả hai thí nghiệm đều được thực hiện ở nhiệt độ cực kì thấp, nghĩa là có một vài sóng âm ngẫu nhiên trong kênh dẫn sẽ gây ra sự mất kết hợp. Bản thân sóng SAW là kết hợp và sẽ không phá hỏng sự vướng víu, theo MnNeil. Tuy nhiên, không có đội nào xác nhận rằng electron không chịu sự mất kết hợp trên hành trình của nó – đó là cái cả hai đội hiện đang nghiên cứu thêm.
Nguồn: physicsworld.com
