Hai đội nhà vật lí độc lập nhau lần đầu tiên thành công trong việc làm vướng víu một photon độc thân với một spin electron độc thân chứa trong một chấm lượng tử. Nhờ sự linh hoạt trong chế tạo và điều khiển chấm lượng tử, đột phá trên có thể đưa đến những máy vi tính lượng tử thực tiễn và những hệ truyền thông lượng tử.
Sự vướng víu là một hiệu ứng lượng tử cho phép các hạt ví dụ như photon và electron có liên hệ gần gũi hơn cái được tiên đoán bởi vật lí cổ điển. Chẳng hạn, một cặp photon-electron có thể được tạo ra bằng thực nghiệm sao cho nếu hướng phân cực photon được đo là theo phương thẳng đứng, thì một phép đo spin electron sẽ tìm thấy spin của nó hướng theo cùng chiều. Hiện tượng này xảy ra bất chấp thực tế là một phép đo trên riêng photon (hoặc electron) sẽ mang lại một giá trị ngẫu nhiên.
Mối liên hệ khắng khít này có thể khai thác sử dụng trong máy vi tính lượng tử, cái trên nguyên tắc vượt trội hơn hơn máy vi tính cổ điển ngày nay. Các photon được trông đợi giữ một vai trò quan trọng trong điện toán lượng tử bởi vì chúng có thể mang những bit thông tin lượng tử (qubit) trên những chặng đường xa. Tuy nhiên, do bản chất của chúng, các photon không thể đứng yên và những qubit tĩnh như các chấm lượng tử là cần thiết để lưu trữ thông tin lượng tử. Trong khi các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng các ion bị bẫy và những khuyết tật trong tinh thể kim cương có thể bị vướng víu với các photon độc thân, nhưng những hệ này có thể khó hoạt động ở mức độ thực tiễn.
Các nhà vật lí ở Mĩ và Thụy Sĩ đã thành công trong việc làm vướng víu photon và spin. (Ảnh: Shutterstock/Iscatel)
Màu sắc hay sự phân cực
Một đội nghiên cứu bao gôm Kristiaan de Greve và các đồng sự tại trường Đại học Stanford và tập trung vào thông tin lượng tử lưu trữ trong sự phân cực của các photon. Còn đội kia, đứng đầu là Atac Imamoglu tại trường ETH Zurich, chọn một cách tiếp cận khác khảo sát thông tin lưu trữ trong bước sóng của các photon.
Chấm lượng tử là những miếng bán dẫn nhỏ xíu tương thích với điện tử học truyền thống và do đó mang lại một phương thức thực tiễn. Cả hai đội đều sử dụng chấm lượng tử hình thành tại tiếp giáp giữa hai chất bán dẫn khác nhau. Một electron độc thân có thể trở nên bị bẫy trong chấm lượng tử - và vì chấm lượng tử quá nhỏ, nên electron cư trú trong một tập hợp những mức năng lượng giống như nguyên tử.
Thông tin lượng tử có thể được lưu trữ trong spin của electron – với “0” tương ứng với spin up (hướng lên) và “1” tương ứng với spin down (hướng xuống) chẳng hạn. Trong cả thí nghiệm Stanford và ETH, giá trị của qubit được xác lập trạng thái spin up bằng cách chiếu một xung laser “bơm” vào chấm lượngt ử. Sau đó, chiếu tiếp một xung laser thứ hai vào chấm, đánh bật electron vào một trạng thái năng lượng cao hơn. Trạng thái này có thể phân hủy sau đó hoặc thành một trạng thái spin up cùng với sự phát xạ một photon “xanh” phân cực thẳng đứng hoặc thành một trạng thái spin down và một photon “đỏ” phân cực ngang. Màu xanh và màu đỏ chí bước sóng của các photon, với màu xanh thì bước sóng ngắn hơn màu đỏ.
Quá nhiều vướng víu
Quá trình trên khiến châm lượng tử bị vướng víu với cả màu sắc lẫn hướng phân cực của photon. Để cho những trạng thái vướng víu có ích trong các ứng dụng điện toán lượng tử, ta chỉ cần sử dụng một tính chất của photon thôi. Do đó, một thách thức quan trọng đối với cả hai đội là lam thế nào phá hỏng một loại vướng víu mà không ảnh hưởng đến loại kia.
De Greve và các đồng sự xử lí vấn đề này bằng cách hạ năng lượng của photon trong một quá trình gọi là “đảo xuống”. Họ gửi photon đi qua một tinh thể đặc biệt được bom bằng một laser hồng ngoại. Quá trình này có tác dụng “làm nhòe” hai trạng thái màu của photon và loại bỏ phương diện vướng víu đó – trong khi giữ nguyên hướng phân cực. Một lợi ích nữa của quá trình đảo xuống là photon đó đi ra ở một bước sóng tương thích với các hệ viễn thông quang học.
Trong khi đó ở Thụy Sĩ, đội của Imamoglu đối mặt với vấn đề ngược lại là xóa sự vướng víu phân cực trong khi giữ nguyên màu sắc. Họ dựa trên thực tế là một photon phân cực phẳng – với hướng phân cực ngang hoặc thẳng đứng – có thể được biểu diễn là sự chồng chất những trạng thái photon phân cực tròn (theo chiều kim và ngược chiều kim đồng hồ). Đội nghiên cứu cho photon của họ đi qua một bộ lọc phân cực đưa toàn bộ các photon vào một trạng thái ngược chiều kim đồng hồ xóa sự vướng víu phân cực. Các xung laser dùng để điều khiển quá trình vướng víu được bố trí có sự phân cực tròn, nghĩa là bộ lọc phân cực còn ngăn ánh sáng này làm nhòe việc dò tìm các photon độc thân bị vướng víu.
Đo spin
Trong cả hai cách bố trí, spin của chấm lượng tử được đo bằng cách chiếu một xung laser thứ hai vào chấm lượng tử. Kết quả là sự phát xạ một photon có hướng phân cực liên hệ với trạng thái spin của chấm lượng tử. Bằng cách đo các tương quan giữa photon phép đo spin và hoặc màu sắc hoặc hướng phân cực của photon qubit, cả hai đội đã có thể chứng minh sự vướng víu.
Các nhà vật lí đã chứng minh rằng các photon có thể vẫn bị vướng víu sau khi truyền đi những khoảng cách lớn hơn 100 km trong không khí và do đó phát triển mới nhất này có thể mang lại một phương thức kết nối các máy tính lượng tử ở xa nhau. Vì các trạng thái vướng víu bị hủy mất nếu như một kẻ nghe trộm chặn dòng thông điệp, nên hệ thống chấm lượng tử còn có thể sử dụng trong các hệ bảo mật lượng tử.
Hai thí nghiệm được mô tả trên tạp chí Nature.
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
