‘Chuyển mạch’ mới có thể cung cấp năng lượng cho điện toán lượng tử

Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp mới bẫy các nguyên tử rubiđi trong một lưới ánh sáng, có thể hỗ trợ phát triển điện toán lượng tử.

Sử dụng một tia laser để đặt các nguyên tử rubiđi đơn lẻ gần bề mặt của một lưới ánh sáng, các nhà khoa học tại MIT và Đại học Harvard đã phát triển một phương pháp mới liên kết các hạt, một phương pháp có thể hỗ trợ phát triển các hệ thống điện toán lượng tử mạnh.

Kỹ thuật mới, được mô tả trong một bài báo xuất bản trên tạp chí Nature, cho phép các nhà nghiên cứu liên kết một nguyên tử rubiđi đơn lẻ, một kim loại, với một photon đơn lẻ, hoặc hạt ánh sáng. Điều này cho phép cả nguyên tử và photon đều chuyển đổi trạng thái lượng tử của nhau, đưa đến một cơ chế thông qua đó điện toán lượng tử có thể được thực hiện.

Ngoài ra, các nhà khoa học tin rằng kỹ thuật của họ sẽ cho phép họ gia tăng số lượng các tương tác hữu ích xảy ra trong một không gian nhỏ, do đó có thể làm gia tăng số lượng xử lý điện toán lượng tử có sẵn.

“Đây là một bước tiến lớn của hệ thống này”, Vladan Vuletic, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết. “Chúng tôi đã chứng minh về cơ bản là một nguyên tử có thể chuyển đổi pha của một photon. Và một photon có thể chuyển đổi pha của một nguyên tử”.

Đó là, các photon có thể có hai trạng thái phân cực, và sự tương tác với nguyên tử có thể làm thay đổi trạng thái của photon; ngược lại, sự tương tác với photon có thể thay đổi mức năng lượng của nguyên tử từ trạng thái “cơ sở” sang trạng thái “phấn khích”. Bằng cách này, liên kết nguyên tử - photon có thể có chức năng như một chuyển mạch lượng tử để truyền tải thông tin - tương đương với một bóng bán dẫn trong một hệ thống điện toán cổ điển. Và bằng cách đặt nhiều nguyên tử trong cùng một trường ánh sáng, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các mạng lưới có thể xử lý thông tin lượng tử hiệu quả hơn.

“Hiện nay, bạn có thể tưởng tượng có một số nguyên tử được đặt ở đó, để tạo ra một số thiết bị - chỉ dày một vài trăm nanomet, mỏng hơn một sợi tóc của con người 1.000 lần - và chúng liên kết với nhau để trao đổi thông tin", Vuletic nói thêm.

Sử dụng một khoang quang tử

Điện toán lượng tử có thể cho phép thực hiện nhanh chóng các tính toán bằng cách tận dụng các thuộc tính lượng tử đặc biệt của các hạt. Một số hạt có thể ở trong trạng thái chồng chập, tồn tại đồng thời ở hai vị trí. Các hạt ở trạng thái chồng chập, được gọi là qubit, do đó có thể chứa nhiều thông tin hơn các hạt ở trạng thái cổ điển và cho phép tính toán nhanh hơn.

Sự liên kết chặt chẽ của một nguyên tử bị bẫy với một hốc tinh thể quang tử. Hình a. một nguyên tử 87Rb đơn lẻ (vòng tròn màu xanh) bị bẫy trong điện từ trường tắt dần (màu đỏ) của một tinh thể quang tử (màu xám). Tinh thể quang tử được gắn vào một sợi quang thuôn (màu xanh), cung cấp sự hỗ trợ cơ học và một giao diện quang học cho khoang này. Giao diện ống dẫn sóng - sợi thuôn tạo ra sự liên kết đoạn nhiệt (adiabatic coupling) giữa kiểu sợi và kiểu ống dẫn sóng. Hình nhỏ cho thấy lưới bẫy một chiều (màu xanh), được hình thành bởi sự can thiệp của một bộ kẹp quang học và sự phản chiếu của nó từ tinh thể quang tử. Hình b. ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) một tinh thể quang tử một mặt. Bộ đệm ở phía bên phải được sử dụng để điều chỉnh cộng hưởng khoang bằng nhiệt bằng cách nung nóng laser.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đang ở những giai đoạn đầu của việc xác định loại vật liệu nào tốt nhất cho điện toán lượng tử. Các nhà nghiên cứu MIT và Harvard đã kiểm tra các photon như một loại vật liệu ứng cử, vì các photon hiếm khi tương tác với các hạt khác. Vì lý do này, một hệ thống điện toán lượng tử quang học, sử dụng các photon, có thể loại bỏ các liên kết tinh tế của nó khó hơn. Nhưng vì các photon hiếm khi tương tác với các bit vật chất khác nên trước đây khó thao tác được chúng.

Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu sử dụng tia laser để đặt một nguyên tử rubiđi rất gần với bề mặt của một khoang tinh thể quang tử, cấu trúc của ánh sáng. Các nguyên tử được đặt không lớn hơn 100 hoặc 200 nanomet - nhỏ hơn một bước sóng ánh sáng - từ cạnh của khoang. Ở những khoảng cách nhỏ như vậy, có một lực hút mạnh giữa các nguyên tử và bề mặt của trường ánh sáng mà các nhà nghiên cứu sử dụng để bẫy các nguyên tử tại chỗ.

Các phương pháp khác tạo ra một kết quả tương tự đã được xem xét trước đó - như, trên thực tế, cho các nguyên tử tiếp xúc với ánh sáng và sau đó tìm kiếm và bẫy chúng. Nhưng các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng họ đã kiểm soát tốt hơn các hạt theo phương pháp này.

“Một mặt nào đó, mức độ đơn giản của giải pháp này so với các kỹ thuật thu nguyên tử khác là một ngạc nhiên lớn”, Vuletic nói.

Kết quả theo cách gọi của ông là một “hệ thống lượng tử lai”, nơi các nguyên tử đơn lẻ được kết hợp vào các thiết bị chế tạo cực nhỏ, và trong đó các nguyên tử và photon có thể được kiểm soát một cách hiệu quả. Các nhà nghiên cứu cũng tìm thấy rằng thiết bị mới có chức năng như một thiết bị định tuyến tách các photon ra khỏi nhau.

Theo Vista.gov.vn