Các ion vướng víu lập kỷ lục đường dài – Physics World

Sử dụng ánh sáng và sợi quang để gửi thông tin từ điểm A đến B ngày nay là một phương pháp tiêu chuẩn, nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể bỏ qua hoàn toàn các bước “gửi và mang” và chỉ cần đọc thông tin ngay lập tức? Nhờ vào sự vướng víu lượng tử, ý tưởng này không còn là một tác phẩm hư cấu nữa, mà là một chủ đề đang được nghiên cứu. Bằng cách làm vướng víu hai hạt lượng tử chẳng hạn như ion, các nhà khoa học có thể đặt chúng vào trạng thái khớp mong manh, trong đó việc đo một hạt cung cấp thông tin về hạt kia theo những cách mà theo cách cổ điển là không thể.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Innsbruck, Áo, hiện đã thực hiện quá trình rối phức tạp này trên hai ion canxi bị mắc kẹt trong các hốc quang cách nhau 230 m – tương đương với khoảng hai sân bóng đá – và được kết nối qua một sợi quang dài 520 m. Sự tách biệt này là một kỷ lục đối với các ion bị giữ lại và đặt một cột mốc quan trọng trong các hệ thống tính toán và truyền thông lượng tử dựa trên các hạt lượng tử này.

Hướng tới một mạng lượng tử

Mạng lượng tử là xương sống của các hệ thống truyền thông lượng tử. Một trong những điểm hấp dẫn của chúng là chúng có thể liên kết thế giới với sức mạnh tính toán và bảo mật chưa từng có trong khi tăng cường cảm biến chính xác và đo thời gian cho các ứng dụng từ đo lường đến điều hướng. Các mạng lượng tử như vậy sẽ bao gồm các máy tính lượng tử – các nút – được kết nối thông qua trao đổi photon. Sự trao đổi này có thể được thực hiện trong không gian tự do, tương tự như cách ánh sáng truyền trong không gian từ Mặt trời đến mắt chúng ta. Ngoài ra, các photon có thể được gửi qua các sợi quang tương tự như các sợi được sử dụng để truyền dữ liệu cho các dịch vụ Internet, truyền hình và điện thoại.

Máy tính lượng tử dựa trên các ion bị bẫy cung cấp một nền tảng đầy hứa hẹn cho mạng lượng tử và truyền thông lượng tử vì hai lý do. Một là trạng thái lượng tử của chúng tương đối dễ kiểm soát. Mặt khác là các trạng thái này mạnh mẽ chống lại các nhiễu loạn bên ngoài có thể làm gián đoạn thông tin được truyền giữa và tại các nút.

Các ion canxi bị giữ lại

Trong công trình mới nhất, nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Tracy Northup và Ben Lanyon tại Innsbruck bẫy các ion canxi trong bẫy Paul – một cấu hình điện trường tạo ra lực tác dụng lên ion, giam giữ nó ở tâm của bẫy. Các ion canxi hấp dẫn vì chúng có cấu trúc điện tử đơn giản và chống lại tiếng ồn mạnh mẽ. “Chúng tương thích với công nghệ cần thiết cho mạng lượng tử; và chúng cũng dễ dàng bị giữ lại và làm mát, do đó phù hợp với các mạng lượng tử có thể mở rộng,” giải thích Maria Galli, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Innsbruck, người đã tham gia vào công việc, được mô tả trong Physical Review Letters.

Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng cách đặt một ion bị bẫy bên trong mỗi hai hốc quang học riêng biệt. Những hốc này là khoảng trống giữa các cặp gương cho phép kiểm soát và điều chỉnh chính xác tần số ánh sáng dội lại giữa chúng (xem hình trên). Sự kiểm soát chặt chẽ này là rất quan trọng để liên kết, hoặc làm vướng víu, thông tin của ion với thông tin của photon.

Sau khi làm vướng víu hệ thống ion-photon tại mỗi trong số hai khoang – các nút của mạng – các nhà nghiên cứu đã thực hiện một phép đo để mô tả đặc điểm của hệ thống vướng víu. Trong khi phép đo phá hủy sự vướng víu, các nhà nghiên cứu đã phải lặp lại quá trình này nhiều lần để tối ưu hóa bước này. Các photon, mỗi photon vướng vào một trong các ion canxi, sau đó được truyền qua sợi quang kết nối hai nút, được đặt trong các tòa nhà riêng biệt.

Trao đổi thông tin

Mặc dù các nhà nghiên cứu có thể đã chuyển các photon trong không gian trống, nhưng làm như vậy sẽ có nguy cơ phá vỡ sự vướng víu ion-photon do một số nguồn nhiễu. Ngược lại, sợi quang có độ suy hao thấp và chúng cũng che chắn các photon và duy trì sự phân cực của chúng, cho phép khoảng cách giữa các nút lâu hơn. Tuy nhiên, chúng không lý tưởng. “Chúng tôi đã quan sát thấy một số sự trôi dạt trong sự phân cực. Vì lý do này, cứ sau 20 phút chúng tôi sẽ mô tả đặc tính quay phân cực của sợi quang và hiệu chỉnh cho nó.” Galli nói.

Hai photon trao đổi thông tin của các hệ thống ion-photon tương ứng của chúng thông qua một quá trình được gọi là phép đo trạng thái Bell của photon (PBSM). Trong kỹ thuật phát hiện chọn lọc trạng thái này, hàm sóng của các photon chồng lên nhau, tạo ra một dạng giao thoa có thể đo được bằng bốn bộ tách sóng quang.

Bằng cách đọc các tín hiệu đo được trên bộ tách sóng quang, các nhà nghiên cứu có thể biết liệu thông tin mang theo bởi các photon – trạng thái phân cực của chúng – có giống nhau hay không. Do đó, các cặp kết quả phù hợp (trạng thái phân cực ngang hoặc dọc) báo trước việc tạo ra sự vướng víu giữa các ion ở xa.

Đánh đổi để vướng víu thành công

Các nhà nghiên cứu đã phải cân bằng một số yếu tố để tạo ra sự vướng víu giữa các ion. Một là cửa sổ thời gian trong đó họ thực hiện phép đo chung cuối cùng của các photon. Cửa sổ thời gian này càng dài thì các nhà nghiên cứu càng có nhiều cơ hội phát hiện ra các photon – nhưng đánh đổi là các ion ít bị vướng víu hơn. Điều này là do chúng nhằm mục đích bắt các photon đến cùng một lúc và việc cho phép một cửa sổ thời gian dài hơn có thể giúp chúng phát hiện ra các photon thực sự đến vào các thời điểm khác nhau.

Mạng lượng tử ba nút ra mắt lần đầu tiên

Do đó, các nhà nghiên cứu cần kiểm tra cẩn thận mức độ vướng víu mà họ quản lý để đạt được trong một khoảng thời gian nhất định. Trong khoảng thời gian 1 phần triệu giây, họ đã lặp lại thí nghiệm hơn 13 triệu lần, tạo ra 555 sự kiện phát hiện. Sau đó, họ đo trạng thái của các ion tại mỗi nút một cách độc lập để kiểm tra mối tương quan, tỷ lệ này là 88%. “Bước đo cuối cùng của chúng tôi trên thực tế là đo trạng thái của cả hai ion để xác minh rằng có tồn tại mối tương quan trạng thái mong đợi hay không,” Galli nói. “Điều này xác nhận rằng chúng tôi đã thành công trong việc tạo ra sự vướng víu giữa hai ion.”

Từ chạy nước rút đến chạy marathon

Hai sân bóng đá có vẻ giống như một khoảng cách lớn để tạo ra trạng thái vướng víu lượng tử bấp bênh, nhưng đội Innsbruck có kế hoạch lớn hơn. Bằng cách thực hiện những thay đổi như tăng bước sóng của photon được sử dụng để truyền thông tin giữa các ion, các nhà nghiên cứu hy vọng có thể bao phủ một khoảng cách lớn hơn nhiều là 50km – dài hơn cả một cuộc chạy marathon.

Trong khi các nhóm nghiên cứu khác trước đây đã chứng minh sự vướng víu trên khoảng cách thậm chí còn xa hơn bằng cách sử dụng các nguyên tử trung tính, thì các nền tảng dựa trên ion có những lợi thế nhất định. Galli lưu ý rằng độ trung thực của các cổng lượng tử thực hiện với các ion bị bẫy tốt hơn so với độ trung thực của các cổng lượng tử thực hiện trên các nguyên tử, chủ yếu là do tương tác giữa các ion mạnh hơn và ổn định hơn so với tương tác giữa các nguyên tử và thời gian kết hợp của các ion dài hơn nhiều.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoAiStream. Thông minh dữ liệu Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Đúc kết tương lai với Adryenn Ashley. Truy cập Tại đây.
• Mua và bán cổ phần trong các công ty PRE-IPO với PREIPO®. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/