Kim cương vướng víu ở nhiệt độ phòng

Hai viên kim cương đặt cách nhau 15 cm đã được đưa vào một trạng thái vướng víu lượng tử. Thí nghiệm, do các nhà vật lí ở Anh tiến hành, được thực hiện ở nhiệt độ phòng và có tạo ra những phonon (những dao động lượng tử hóa) bên trong các tinh thể đó. Với việc chứng minh rằng có thể thu được sự vướng víu ở hai viên kim cương lớn và đặt xa nhau ở nhiệt độ phòng, đội nghiên cứu đã cung cấp thêm bằng chứng rằng một máy vi tính lượng tử thực tế có thể đã nằm trong tầm với của chúng ta.

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 làm việc tốt hơn máy vi tính cổ điển ở những công việc nhất định. Nhưng việc xây dựng một máy vi tính lượng tử trên thực tế vẫn là một thách thức vì các thực thể vật lí lưu trữ và truyền các bit thông tin lượng tử (qubit) dễ dàng bị phá hỏng khi tiếp xúc với thế giới bên ngoài.

Kim cương là một chất liệu tỏ ra có triển vọng lớn đối với sự điện toán lượng tử vì nó chứa những hệ lượng tử được che chắn tốt trước môi trường. Chẳng hạn, nó có những phonon có thể tương tác với ánh sáng phát ra từ một nguồn bên ngoài nhưng nói chung không bị ảnh hưởng bởi các dao động nhiệt bên trong bản thân chất liệu.

Trên nguyên tắc, thông tin lượng tử có thể lưu trữ trong kim cương bằng cách chiếu một xung laser để tạo ra một phonon, rồi thông tin được hồi phục sau đó bằng cách chiếu một xung thứ hai tương tác với phonon trên. Ngoài ra, có thể sử dụng các xung ánh sáng vướng víu để làm vướng víu các phonon trong hai viên kim cương khác nhau – cái rốt cuộc có thể hữu ích trong việc chế tạo máy vi tính lượng tử.

Một đoạn phim minh họa hai viên kim cương (vật hình chữ nhật) bị vướng víu như thế nào bởi một photon trong xung bơm màu xanh lá. Sự vướng víu được xác nhận bởi việc đo các tương quan giữa những photon đỏ và xanh phát ra trong sự sinh và hủy của phonon. (Ảnh: AAAS/Science)

Tách rời các photon

Trong nghiên cứu mới, Ian Walmsley và các đồng sự tại trường Đại học Oxford đã sử dụng một kế hoạch như thế để làm vướng víu hai viên kim cương – mỗi viên chừng 3 mm. Họ bắt đầu bằng việc chiếu một xung laser “bơm” vào một bộ tách chùm tia, gửi nửa xung đến một viên kim cương ở bên phải và nửa xung kia đến một viên kim cương ở bên trái. Khi một photon trong xung sáng đi tới bộ tách chùm tia, cơ học lượng tử cho biết rằng nó được đưa vào một sự chồng chất của một photon đi sang trái và một photon đi sang phải.

Khi một photon như thế đi tới viên kim cương, một phần năng lượng của nó có thể bị hấp thụ để tạo ra một phonon – một dao động cao tần của các nguyên tử trong tinh thể. Vì phonon hành xử giống như các hạt tuân theo cơ học lượng tử, nên hai viên kim cương ở vào một trạng thái chồng chất của viên kim cương bên phải có một phonon và viên kim cương bên trái có một phonon. Nói cách khác, hai viên kim cương “chia sẻ” cùng một phonon, đó là một dấu hiệu của sự vướng víu.

Khi một phonon được tạo ra, photon ban đầu được phát xạ trở lại ở một năng lượng thấp hơn. Photon “đỏ” này sau đó được phát hiện ra theo một kiểu mà các nhà vật lí biết rằng một phonon đã được tạo ra trong một trong hai viên kim cương, mặc dù viên kim cương nào thì chưa rõ. Nói cách khác, photon đỏ này “báo trước” sự vướng víu của hai viên kim cương.

Tán xạ sang xanh

Rất nhanh sau khi phonon được tạo ra, một xung “khảo sát” thứ hai được chiếu vài bộ tách chùm tia và hai xung thu được đi tới đồng thời ở cả hai viên kim cương. Nếu một phonon có mặt ở một trong hai viên kim cương, thì một trong hai photon từ xung thứ hai đến có thể hấp thụ phonon đó, do đó làm tăng năng lượng của nó để tạo ra một photon “xanh”. Vì hai viên kim cương bị vướng víu bởi một phonon, nên photon xanh này ở vào trạng thái chồng chất được phát ra hoặc bởi viên kim cương bên trái, hoặc bởi viên kim cương bên phải.

Sự chồng chất này được xác nhận bằng cách kết hợp ánh sáng xanh từ cả hai viên kim cương trong một bộ tách chùm tia để tạo ra chỉ một chùm tia. Chùm tia này sau đó được gửi vào một bộ tách chùm cuối cùng, nơi đó một phần nữa nó bị tách thành hai chùm. Nếu một photon xanh thật sự ở trong sự chồng chất của viên kim cương bên trái và bên phải, thì nó sẽ luôn luôn xuất hiện từ một cổng ra nhất định của bộ tách chùm tia. Nếu photon đó không ở trong sự chồng chất, thì có một xác suất ngang nhau để nó sẽ hiện ra từ mỗi cổng.

Đội nghiên cứu đã đo output ở cả hai cổng đối với photon xanh được báo hiệu trước bởi một photon đỏ - và nhận thấy phần lớn photon xanh hiện ra đúng từ cổng mà họ trông đợi. Điều này cho thấy các photon xanh thật sự ở trong sự chồng chất là kết quả của hai viên kim cương bị vướng víu bởi một phonon.

Hàng pico giây là đủ

Toàn bộ quá trình – từ sự vướng víu được tạo ra giữa hai viên kim cương đến việc phát hiện ra nó bằng xung laser khảo sát – chỉ kéo dài trong 0,35 ps. Một khoảng thời gian ngắn như vậy là cần thiết vì các phonon chỉ tồn tại trong khoảng 7 ps trong kim cương. Mặc dù những phonon như thế không thể dùng để lưu trữ thông tin lượng tử trong những khoảng thời gian dài, nhưng chúng có thể được sử dụng để tiến hành những phép tính lượng tử rất nhanh – ít nhất là trên nguyên tắc.

Jeremy O'Brien thuộc trường Đại học Bristol ở Anh gọi nghiên cứu trên là “một phát triển to lớn” mở rộng thêm kích cỡ của những vật trong đó chúng ta có thể thấy các hiệu ứng lượng tử như sự vướng víu và sự chồng chất. Mặc dù những ứng dụng thực tế của nghiên cứu trên có thể không thấy ngay được, nhưng O’Brien tin rằng nó sẽ mở rộng thêm trí tượng của các nhà vật lí về cái có thể làm được trong các hệ thống thông tin và máy vi tính lượng tử trong tương lai.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science 334 1253.

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp