Sự vướng víu đóng một vai trò quan trọng trong khoa học thông tin lượng tử. Nó có thể được sử dụng trong một máy tính lượng tử có thể thực hiện đồng thời nhiều phép toán. Để sử dụng máy tính lượng tử một cách hiệu quả, nhiều hạt vướng víu phải hoạt động cùng nhau. Chúng là những yếu tố thiết yếu để tính toán, được gọi là qubit.
Một nhóm các nhà vật lý tại Viện Max Planck của Quantum Optics ở Garching, lần đầu tiên, đã chứng minh nhiệm vụ này với các photon phát ra từ một nguyên tử đơn lẻ. Chúng có thể tạo ra tối đa 14 photon vướng víu trong một bộ cộng hưởng quang học, có thể được điều chế thành các trạng thái vật lý lượng tử cụ thể theo cách có mục tiêu và rất hiệu quả. Phương pháp mới có thể cho phép xây dựng các máy tính lượng tử mạnh mẽ và bền bỉ, đồng thời phục vụ việc truyền dữ liệu an toàn trong tương lai.
Đây là lần đầu tiên nhóm tạo ra tới 14 các photon vướng víu một cách xác định và đạt hiệu quả cao.
Philip Thomas, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Viện Quang học lượng tử Max Planck (MPQ) ở Garching gần Munich, cho biết: “Mẹo của thí nghiệm này là chúng tôi đã sử dụng một nguyên tử duy nhất để phát ra các photon và đan xen chúng theo một cách rất cụ thể. Để làm được điều này, chúng tôi đã đặt một nguyên tử rubidi ở trung tâm của một khoang quang học – một khoang dội lại cho sóng điện từ. Trạng thái của nguyên tử có thể được giải quyết chính xác bằng ánh sáng laze có tần số nhất định. Bằng cách sử dụng một xung điều khiển bổ sung, các nhà nghiên cứu cũng đặc biệt kích hoạt sự phát xạ của một photon vướng víu với trạng thái lượng tử của nguyên tử.”
“Chúng tôi đã lặp lại quá trình này nhiều lần và theo cách đã được xác định từ trước. Ở giữa, nguyên tử được điều khiển theo một cách nhất định – theo thuật ngữ kỹ thuật: xoay. Bằng cách này, có thể tạo ra một chuỗi gồm tối đa 14 hạt ánh sáng bị vướng víu bởi các chuyển động quay của nguyên tử và được đưa vào trạng thái mong muốn.”
“Theo hiểu biết tốt nhất của chúng tôi, 14 hạt ánh sáng liên kết với nhau là số lượng lớn nhất các photon vướng víu được tạo ra trong phòng thí nghiệm cho đến nay.”
“Bởi vì chuỗi photon xuất hiện từ một nguyên tử đơn lẻ, nên nó có thể được tạo ra một cách xác định. Điều này có nghĩa là: về nguyên tắc, mỗi xung điều khiển phát ra một photon với các thuộc tính mong muốn. Cho đến nay, sự vướng víu của các photon thường diễn ra trong các tinh thể đặc biệt, phi tuyến tính. Nhược điểm: các hạt ánh sáng được tạo ra một cách ngẫu nhiên và không thể kiểm soát được. Điều này cũng hạn chế số lượng hạt được nhóm lại thành một trạng thái tập thể.”
Phương pháp mà các nhà khoa học đã sử dụng cho phép tạo ra bất kỳ số lượng photon vướng víu nào. Nó cũng hiệu quả: Chúng tôi đã chứng minh hiệu quả gần 50 phần trăm bằng cách đo chuỗi photon được tạo ra.
Thomas nói, “Điều này có nghĩa là: gần như mỗi giây “nhấn nút” trên nguyên tử rubidi sẽ tạo ra một hạt ánh sáng có thể sử dụng được – nhiều hơn nhiều so với những gì đã đạt được trong các thí nghiệm trước đây.”
Giám đốc Gerhard Rempe cho biết, “Nói chung, công việc của chúng tôi loại bỏ một trở ngại lâu dài trên con đường phát triển dựa trên đo lường, có thể mở rộng Tính toán lượng tử".
Các nhà nghiên cứu tại MPQ muốn loại bỏ một trở ngại nữa. Ví dụ, hai nguyên tử sẽ được yêu cầu làm nguồn photon trong bộ cộng hưởng cho các hoạt động phức tạp của máy tính. Theo các nhà vật lý lượng tử, có một trạng thái cụm hai chiều.
Philip Thomas đã nói, “Chúng tôi đang làm việc để giải quyết nhiệm vụ này.”
Tạp chí tham khảo:
- Thomas, P., Ruscio, L., Morin, O. et al. Tạo hiệu quả các trạng thái biểu đồ đa điểm vướng víu từ một nguyên tử. Thiên nhiên 608, 677–681 (năm 2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04987-5
