Một phương pháp mới điều khiển các trạng thái lượng tử ở silicon vừa được phát triển bởi một đội quốc tế gồm các nhà vật lí sử dụng “các nguyên tử Rydberg” khổng lồ tạo ra bằng cách pha tạp vật liệu trên với tạp chất phospho. Kĩ thuật trên có thể dùng để điều khiển các dụng cụ điện toán lượng tử chế tạo từ silicon, còn bản thân các nguyên tử Rydberg bán dẫn có thể mang lại cho các nhà vật lí một công cụ mới để nghiên cứu cơ học lượng tử.
Các máy tính hoạt động trên các khái niệm cơ lượng tử như sự vướng víu trên nguyên tắc có thể thực hiện vượt trội so với các máy tính thông thường ở những tác vụ nhất định. Mặc dù thế giới văn chương khoa học tràn ngập các kế hoạch cho máy tính lượng tử, nhưng cho đến nay các nhà vật lí vẫn chưa xây dựng được những dụng cụ thực tiễn có khả năng điện toán lượng tử duy trì. Tuy nhiên, một số nhà vật lí tin rằng các dụng cụ gốc silicon có thể là một giải pháp.
Ảnh minh họa kế hoạch điều khiển lượng tử: Một nguyên tử phospho (ở giữa viên màu vàng) được nhúng trong mạng nguyên tử silicon (các quả cầu màu bạc). Thùy màu vàng minh họa trạng thái cơ bản của nguyên tử Rydberg và các viên màu xanh lục minh họa hai cái thùy của trạng thái kích thích thứ nhất. Kích cỡ tương đối của các thành phần đã được thu tỉ lệ. Xung terahertz thứ nhất đến từ phía bên trái và đưa nguyên tử vào một sự chồng chất của cả hai trạng thái. Xung thứ hai phát ra từ bên trái điều khiển pha của các nguyên tử, mang lại một tiếng vọng photon, phát ra về phía bên phải.
Nguyên do lựa chọn chúng là vì các thành phần cỡ nano mét có thể chế tạo từ silicon tinh thể cực kì tinh khiết – cần thiết để giảm tối thiếu sự nhiễu không mong muốn có thể phá hủy thông tin lượng tử. Thật vậy, các nhà nghiên cứu đã chứng tỏ được rằng các bit thông tin lượng tử (hay qubit) có thể lưu trữ trong những khoảng thời gian dài trong trạng thái spin của các nguyên tử tinh khiết trong silicon. Dẫu vậy, khó khăn là ở chỗ khó làm cho các nguyên tử này tương tác và vì thế xử lí các thông tin lượng tử.
Sự chồng chất của các trạng thái
Ben Murdin tại Đại học Surrey, các nhà nghiên cứu tại Đại học College London, Viện Vật lí Plasma FOM ở Hà Lan và Đại học Heriot Watt ở Edinburgh nay vừa chứng tỏ được rằng silicon pha tạp phospho có thể mang lại một giải pháp. Đội nghiên cứu đã sử dụng tinh thể silicon nuôi cấy thương mại, pha tạp với một lượng phospho chính xác để tăng thêm mật độ electron của nó. Mỗi nguyên tử phospho có nhiều hơn silicon một electron hóa trị và vì thế giống như một nguyên tử hydrogen khổng lồ với một lõi dương và một electron trong quỹ đạo có đường kính chừng bằng 30 khoảng cách mạng.
Nhưng không giống như nguyên tử Rydberg thông thường ở trong một trạng thái năng lượng cao, tạp chất đó thường ở trong trạng thái năng lượng thấp nhất (cơ bản) của nó. Đội khoa học bắt đầu bằng cách đưa từng nguyên tử tạp chất vào một kết hợp của các trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích thứ nhất, sử dụng một xung terahertz phát ra từ laser electron tự do FELIX ở Hà Lan. Trong một sự chồng chất như vậy của các trạng thái, người quan sát không thể biết tạp chất ở trạng thái nào cho đến khi có một phép đo được thực hiện – giống hệt như con mèo nổi tiếng của Schrödinger.
Lệch pha
Trạng thái chồng chất đó dao động ở một tần số đặc biệt được xác định một phần bởi mômen từ của các nguyên tử silicon lân cận. Do có vài đồng vị của silicon trong tinh thể, nên môi trường từ tính của mỗi nguyên tử tạp chất hơi khác nhau một chút, làm cho các dao động của tạp chất lệch pha nhau.
Sau đó, đội nghiên cứu chiếu một xung terahertz thứ hai vào mẫu, điều chỉnh pha tương đối của các tạp chất sao cho tất cả chúng dao động đồng bộ với nhau. Thao tác này mang lại một chớp sáng – gọi là “tiếng vọng photon”. Tuy nhiên, tiếng vọng photon chỉ xảy ra nếu các tạp chất ở trong một trạng thái chồng chất. Cho nên, bằng cách điều chỉnh độ trễ giữa hai xung và đo cường độ của tiếng vọng đó, đội khoa học có thể suy luận ra trạng thái đó tồn tại khoảng 160 ns.
Điều khiển quang
Trong khi thời gian này có vẻ như thật ngắn, thì Murdin cho biết tuy vậy nó đủ dài để sử dụng tạp chất ấy điều khiển các qubit láng giềng. Ông tin rằng điều này có thể thực hiện bằng cách đặt các tạp chất qubit spin ở gần các tạp chất Rydberg sao cho các quỹ đạo electron của chúng chồng lấn lên nhau. Điều này sẽ cho phép các qubit được điều khiển bằng photon, có thể giúp làm giảm sự nhiễu.
Murdin cho biết đội của ông hiện đang nghiên cứu một kĩ thuật định vị từng nguyên tử tạp chất một đến độ chính xác nano mét, sử dụng đầu dò của một kính hiển vi quét. Trước tiên, họ lên kế hoạch đặt hai tạp chất phospho ở gần nhau và chứng tỏ rằng hệ điều khiển lượng tử đó có thể dùng để làm vướng víu hai nguyên tử Rydberg.
Jeremy O’Brien thuộc Đại học Bristol cho biết khả năng điều khiển lượng tử, sử dụng các nguyên tử Rydberg như thế, là “thú vị”. Ông bổ sung thêm rằng công trình trên có thể mở ra một lĩnh vực mới trong nghiên cứu vật lí, so sánh nó với lĩnh vực đang xuất hiện của điện động lực học lượng tử hộp cộng hưởng phát triển từ sự nghiên cứu các tương tác giữa ánh sáng và các chấm lượng tử.
Công trình công bố trên tạp chí Nature.
- Xuân Nguyễn (theo physicsworld.com)
