Lần đầu tiên một đội nghiên cứu quốc tế vừa thành công trong việc đo hình dạng của từng photon. Kết quả trên có thể cực kì hữu ích cho sự truyền dữ liệu an toàn bằng ánh sáng.
Các xung ánh sáng có thể có hầu như bất kì hình dạng nào trong không gian và thời gian, và những hình dạng này phụ thuộc vào biên độ và pha của các thành phần tần số của xung sáng. Dữ liệu có thể được mã hóa trong các xung sáng bằng cách điều biến biên độ hoặc pha của ánh sáng. Các photon độc thân và các trạng thái ánh sáng lượng tử khác còn có thể được tạo ra trong nhiều hình dạng phức tạp và thông tin mã hóa trong những hình dạng khác nhau này có thể là một cách hiệu quả để truyền dữ liệu an toàn. Thật vậy, hình dạng một photon độc thân có thể biểu diễn, chẳng hạn, bất kì kí tự nào trong bảng chữ cái, hoặc thậm chí một kết hợp lượng tử (hay sự chồng chất) của một vài kí tự.
Tuy nhiên, vấn đề là một khi một photon đã được gửi qua một thiết bị nào đó – ví dụ như một sợi quang – hình dạng của nó có thể bị biến dạng và thông tin chứa bên trong trở nên không thể giải mã nữa. Một đội đứng đầu là Marco Bellini thuộc Viện Quang học Quốc gia ở Florence, Italy, và các đồng sự nay đã làm chủ phép đo hình dạng chính xác của mode của một trạng thái ánh sáng lượng tử xuất hiện tại đầu nhận bằng phương tiện máy dò “lọc mode”.
Trong một thí nghiệm “pha trộn”, một photon độc thân có khả năng được phát hiện nhất khi nó được trộn khớp chính xác với xung laser. (Ảnh: Bellini)
Thuật toán tiến hóa
Phương pháp hoạt động dựa trên các thuật toán tiến hóa thường sử dụng trong hóa học femto và sinh học tối ưu hóa một kết quả thực nghiệm nhất định bằng cách điều chỉnh một tập hợp những thông số ban đầu. “Cái mới trong công trình của chúng tôi là chúng tôi đã áp dụng các tiếp cận này cho việc phát hiện các trạng thái ánh sáng lượng tử cực ngắn, lần đầu tiên kết hợp các kĩ thuật rất phức tạp và tiên tiến từ hai lĩnh vực nghiên cứu khác nhau: quang học lượng tử và điều khiển kết hợp femto giây,” Bellini giải thích.
Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng việc “trộn” photon được đo với một xung ánh sáng laser tham chiếu cường độ mạnh hay một “dao động tử cục bộ” như tên nó được gọi. Photon và xung laser đó giao thoa và hoặc tăng cường hoặc triệt tiêu lẫn nhau, tùy thuộc vào hình dạng của chúng. Hình dạng của chúng càng gần gũi, thì khả năng photon đó được phát hiện ra càng cao.
Cái Bellini và các đồng sự đã làm là liên tục thay đổi hình dạng của xung laser trong máy dò cho đến khi nó khớp nhất với hình dạng của photon. “Nếu hình dạng của photon là chưa biết, thì chúng tôi bắt đầu từ một tập hợp những hình dạng ngẫu nhiên cho dao động tử cục bộ và thử hết mọi khả năng đó để tìm những hình dạng phát hiện tốt hơn trạng thái ánh sáng lượng tử đó,” Bellini giải thích. “Những hình dạng tốt nhất này sau đó được biến đổi một chút và trộn với nhau để tạo ra một thế hệ hình dạng mới để chúng tôi kiểm tra lần nữa photon độc thân của chúng tôi. Quá trình tiếp tục cho đến khi tìm thấy những hình dạng khớp nhất theo kiểu thích nghi tiến hóa.”
Marco Bellini (trái), Constantina Polycarpou (giữa) và Alessandro Zavatta (phải). (Ảnh: Istituto Nazionale di Ottica)
Hồi phục thông tin mã hóa
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng bố trí của họ có thể hồi phục thông tin đã cố ý mã hóa trong hình dạng của photon. Ví dụ, họ đã tạo ra những photon có hai thành phần tần số tách biệt với một độ lệch pha nhất định. Các photon đó có thể được phát hiện ra bằng những xung dao động tử cục bộ có một độ lệch pha ăn khớp nhưng không được phát hiện ra khi các thành phần của xung laser hoàn toàn lệch pha với các photon.
Cho đến nay, đa số các thí nghiệm quang lượng tử đều dựa trên việc phát, xử lí và phát hiện các trạng thái lượng tử của ánh sáng trong một hoặc chỉ một vài mode đã biết rõ. Chẳng hạn, đa số các giao thức truyền thông lượng tử - ví dụ như mật mã học lượng tử - hoạt động dựa trên những hướng phân cực khác nhau (ngang hoặc dọc chẳng hạn) của một photon. Điều này có nghĩa là thông tin được mã hóa chỉ trong hai trạng thái có thể có của photon đó và mọi sự chồng chất của chúng – cái gọi là một qubit (bit thông tin lượng tử). “Với việc mang lại khả năng truy xuất cấu trúc mode không-thời gian trọn vẹn của một trạng thái ánh sáng lượng tử, số lượng mode trực giao mà một photon độc thân có thể chiếm giữ (những chữ cái có thể có trong ‘bảng chữ cái’) hầu như không bị giới hạn, nên phương pháp của chúng tôi có thể cải thiện đáng kể khả năng của một hệ truyền thông lượng tử hay một hệ điện toán lượng tử,” Bellini nói.
Các nhà nghiên cứu cho biết họ hiện đang kiểm tra các giới hạn của kĩ thuật trên. “Chúng tôi cũng đang cố gắng cải tiến sự phân tích của những trạng thái ánh sáng lượng tử nhất định và cố gắng tăng số lượng mode có thể xử lí độc lập mà một photon độc thân có thể chiếm giữ,” Bellini bổ sung thêm
Tham khảo: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i5/e053602
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
