Lưu giữ thành công qubit photon phân cực trong lược nguyên tử

Ba đội nhà vật lí độc lập nhau vừa tạo ra những bộ nhớ lượng tử bán dẫn đầu tiên lưu trữ trạng thái phân cực của các photon. Trong khi ba hệ này sử dụng những chất liệu khác nhau, nhưng chúng đều hoạt động trên khái niệm “lược nguyên tử” – nhờ đó một photon được lưu giữ trong một trạng thái kích thích tập thể của các nguyên tử bên trong chất rắn.

Bộ nhớ Barcelona: các qubit photon phân cực được lưu giữ trong một tinh thể yttrium orthosilicate pha tạp bằng cách trước tiên phân tách ánh sáng thành hai chùm tia. (Ảnh: Hugues de Riedmatten)

Photon tỏ ra là một lựa chọn tốt cho sự truyền các bit thông tin lượng tử (qubit) vì chúng có thể truyền đi những khoảng cách xa mà không tương tác với môi trường xung quanh chúng. Một ưu điểm nữa của chúng là thông tin lượng tử có thể lưu trữ trong trạng thái phân cực của một photon, với “1” được biểu diễn bởi sự phân cực ngang và “0” được biểu diễn bởi sự phân cực dọc chẳng hạn.

Điều không may là rất khó tạo ra một bộ nhớ lượng tử có khả năng lưu trữ các qubit photon, đó là tin xấu đối với những ai đang muốn chế tạo một máy vi tính lượng tử hoặc chế tạo những “bộ lặp lượng tử” cho phép truyền thông tin lượng tử trên những cự li dài. Các nhà vật lí đã có thể tạo ra những bộ nhớ bán dẫn có khả năng lưu trữ và phát xạ lại qubit dựa trên đặc điểm thời gian của ánh sáng – “1” cho sự có mặt của photon và “0” cho sự vắng mặt của nó, chẳng hạn – chứ chưa khai thác được bản thân sự phân cực của photon.

Một trở ngại là nhiều chất rắn có xu hướng gây ra sự lưỡng chiết – một hiệu ứng khúc xạ đưa ánh sáng có sự phân cực khác nhau đi theo những đường đi khác nhau. Một khó khăn nữa là mức độ hấp thụ ánh sáng của nhiều chất rắn phụ thuộc vào sự phân cực của ánh sáng. Tóm lại là rất khó chế tạo dụng cụ lưu trữ một qubit với một sự phân cực tùy ý.

Quay 90 độ

Để giải quyết vấn đề này, ba nhóm nghiên cứu đã chọn những cách tiếp cận đơn giản đến bất ngờ. Hai đội – một đội đứng đầu là Chuan-Feng Li tại trường Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Hoa ở Hefei và đội kia đứng đầu là Mikael Afzelius tại trường Đại học Geneva – đã chế tạo bộ nhớ của họ từ hai tinh thể chất giống nhau quay 90 độ so với nhau.

Trong khi đó, tại Viện Khoa học Quang Lượng tử ở Barcelona, Tây Ban Nha, Hugues de Riedmatten và các cộng sự sử dụng một tinh thể nhưng tách ánh sáng đi vào thành hai chùm tia rời nhau, một trong hai chùm sáng có sự phân cực quay góc 90 độ. Sau đó, hai chùm tia được gửi qua tinh thể, và chùm tia quay ló ra sau đó được quay trở lại sự phân cực ban đầu của nó trước khi hai chùm tia kết hợp trở lại.

Trong cả ba trường hợp, ý tưởng cơ bản là giống nhau – bằng cách quay một tinh thể hoặc sự phân cực của một chùm tia đi 90 độ, vấn đề lưỡng chiết và hấp thụ theo hướng bị loại trừ một cách hiệu quả. Thông tin lượng tử được lưu giữ trong mỗi trường hợp trong một “lược tần nguyên tử” (AFC) – một hiện tượng lần đầu tiên được nhận ra hồi năm 2009 tại trường Đại học Geneva bởi một đội nghiên cứu trong đó có Afzelius và De Riedmatten. AFC là sự kích thích tập thể của các nguyên tử trong một tinh thể gồm một số lượng lớn những mode tần số có năng lượng cách đều nhau, giống như những cái răng trên một chiếc lược vậy.

Lệch pha nhau

Quá trình lưu trữ bắt đầu khi photon bị hấp thụ và kích thích các mode AFC. Sau đó các mode diễn ra theo thời gian để chúng lệch pha nhau. Khi điều này xảy ra, AFC không thể phát xạ lại photon đó. Tuy nhiên, sau một lượng thời gian nhất định – thường cỡ hàng chục hoặc hàng trăm nano giây tùy thuộc vào chất liệu – các mode lược lại cùng pha với nhau và photon được phát xạ trở lại với sự phân cực giống như photon đã hấp thụ.

Nhóm Geneva và nhóm Barcelona sử dụng tinh thể yttrium-orthosilicate pha tạp tương ứng neodymium và praseodymium, còn đội Hefei sử dụng tinh thể yttrium-orthovanadate pha tạp neodymium.

Cả ba đội hiện đang nỗ lực cải tiến dụng cụ của họ. Li cho biết đội Hefei hiện đang nghiên cứu cách lưu trữ sự vướng víu phân cực nhiều photon trong vài bộ nhớ lượng tử khác nhau. Đội của Afzelius thì đang nghiên cứu làm thế nào kéo dài thời gian lưu trữ lên hàng mili giây hoặc thậm chí cỡ hàng giây bằng cách sử dụng những chất liệu khác nhau, đó là hướng nghiên cứu quan trọng vì thời gian lưu trữ hàng giây là cần thiết cho các bộ lặp lượng tử trên thực tế. Trong khi đó ở Barcelona, De Riedmatten và các đồng sự đang khảo sát làm thế nào biến một kích thích AFC thành một kích thích spin trong chất rắn – một quá trình họ tin rằng có thể sử dụng để tăng thời gian lưu trữ lên hàng phút.

Nghiên cứu công bố trong ba bài báo đăng trên tạp chí Physical Review Letters.

Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com