Các nhà vật lý lượng tử đã ăn mừng vào tháng XNUMX khi ủy ban Nobel trao giải chờ đợi từ lâu giải vật lý cho Alain Aspect, John Clauser và Anton Zeilinger vì sự tiên phong của họ nghiên cứu về sự vướng víu lượng tử. Nhưng cộng đồng chắc chắn đã không ngủ quên trên chiến thắng của mình và với rất nhiều sự phát triển thú vị khác vào năm 2022, thật khó để chọn ra một vài điểm nổi bật. Tuy nhiên, đây là một số kết quả nổi bật đối với chúng tôi trong các lĩnh vực cảm biến lượng tử, thông tin lượng tử, điện toán lượng tử, mật mã lượng tử và khoa học lượng tử cơ bản.
Trong cơ học lượng tử, nguyên tắc định vị phát biểu rằng một hạt lượng tử, theo một nghĩa nào đó, có thể ở nhiều nơi cùng một lúc. Trong khi đó, nguyên lý vướng víu phát biểu rằng các hạt lượng tử trải qua một mối liên hệ cho phép điều kiện của một hạt xác định điều kiện của hạt khác, thậm chí qua những khoảng cách rất xa. Vào tháng XNUMX, các nhà vật lý tại JILA ở Colorado, Hoa Kỳ, đã sử dụng kết hợp giữa vướng víu và định vị để triệt tiêu tiếng ồn mà trước đây khiến không thể cảm nhận được gia tốc dưới cái gọi là giới hạn lượng tử. Giới hạn này được thiết lập bởi nhiễu lượng tử của các hạt riêng lẻ và từ lâu nó đã là một hạn chế đáng kể đối với độ chính xác của cảm biến lượng tử. Do đó, vượt qua nó là một bước tiến lớn.
Việc gửi thông tin lượng tử từ nút này sang nút khác trong mạng không hề dễ dàng. Nếu bạn mã hóa thông tin dưới dạng photon được gửi xuống một sợi quang học, tổn thất trong sợi quang sẽ ăn mòn độ trung thực của tín hiệu cho đến khi không thể đọc được. Thay vào đó, nếu bạn sử dụng vướng víu lượng tử để dịch chuyển thông tin một cách trực tiếp, bạn sẽ giới thiệu các quá trình khác, than ôi, cũng làm suy giảm tín hiệu. Thêm nút thứ ba vào mạng, với tư cách là nhà vật lý tại QuTech ở Hà Lan đã làm vào năm 2021, chỉ làm cho nhiệm vụ khó khăn hơn. Đó là lý do tại sao thật ấn tượng khi các nhà nghiên cứu QuTech đã tiếp nối thành công trước đó của họ bằng cách dịch chuyển thông tin lượng tử từ người gửi (Alice) sang người nhận (Charlie) thông qua một nút trung gian (Bob). Mặc dù độ trung thực của đường truyền Alice-Bob-Charlie chỉ là 71%, cao hơn giới hạn cổ điển là 2/3 và để đạt được nó, các nhà nghiên cứu phải kết hợp và tối ưu hóa một số thí nghiệm đầy thách thức. Các nút Dave, Edna và Fred sẽ tham gia mạng vào năm 2023 chứ? Chúng ta sẽ thấy!
Trong trường hợp hai điểm nổi bật đầu tiên trong danh sách này không rõ ràng, tiếng ồn là một vấn đề lớn trong khoa học lượng tử. Điều này đúng với điện toán cũng như đối với cảm biến và giao tiếp, đó là lý do tại sao việc sửa các lỗi do tiếng ồn này lại quan trọng đến vậy. Các nhà vật lý thực hiện một số tiến bộ trên mặt trận này vào năm 2022, nhưng một trong những điều quan trọng nhất đã đến vào tháng XNUMX khi các nhà nghiên cứu tại Đại học Innsbruck, Áo và Đại học RWTH Aachen ở Đức lần đầu tiên trình diễn một tập hợp đầy đủ các hoạt động lượng tử chịu lỗi. Máy tính lượng tử bẫy ion của họ sử dụng bảy qubit vật lý để tạo ra từng qubit logic, cộng với các qubit “cờ” để báo hiệu sự hiện diện của các lỗi nguy hiểm trong hệ thống. Điều quan trọng là phiên bản được sửa lỗi của hệ thống hoạt động tốt hơn phiên bản không được sửa lỗi đơn giản hơn, minh họa cho khả năng của kỹ thuật này.
Bảo mật thông tin là USP của mật mã lượng tử, nhưng thông tin chỉ an toàn như liên kết yếu nhất trong chuỗi. Trong phân phối khóa lượng tử (QKD), một liên kết yếu tiềm ẩn là các thiết bị được sử dụng để gửi và nhận khóa, dễ bị tấn công thông thường (chẳng hạn như ai đó đột nhập vào nút và can thiệp vào hệ thống) mặc dù bản thân các khóa được bảo mật chống lại lượng tử. Một giải pháp thay thế là sử dụng QKD (DIQKD) độc lập với thiết bị, sử dụng các phép đo bất đẳng thức Bell trong các cặp photon để xác nhận rằng quy trình tạo khóa không bị gian lận. Vào tháng 1.5, hai nhóm nhà nghiên cứu độc lập đã lần đầu tiên trình diễn DIQKD bằng thực nghiệm – trong một trường hợp bằng cách tạo ra 95 triệu cặp Bell bị vướng víu trong khoảng thời gian 884 giờ và sử dụng chúng để tạo khóa dùng chung dài XNUMX XNUMX bit. Mặc dù tốc độ tạo khóa cần phải cao hơn để DIQKD trở nên thiết thực đối với các mạng được mã hóa trong thế giới thực, nhưng bằng chứng về nguyên tắc thật đáng kinh ngạc.
Các hạt vướng víu khác trong danh sách nổi bật này đều giống hệt nhau: photon vướng víu với photon khác, ion với ion khác, nguyên tử với nguyên tử khác. Nhưng không có gì trong lý thuyết lượng tử đòi hỏi loại đối xứng này, và một loại công nghệ lượng tử “lai” mới đang nổi lên thực sự dựa vào việc trộn lẫn mọi thứ. Nhập các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Armin Feist của Viện Khoa học Đa ngành Max Planck ở Đức, người đã chỉ ra vào tháng XNUMX rằng họ có thể làm vướng víu một electron và một photon bằng cách sử dụng một vi cộng hưởng quang học hình vòng và một chùm electron năng lượng cao đi qua vòng tiếp tuyến. Kỹ thuật này có các ứng dụng cho một quá trình lượng tử được gọi là "báo trước" trong đó việc phát hiện một hạt trong một cặp vướng víu cho biết rằng hạt kia có sẵn để sử dụng trong một mạch lượng tử – một ví dụ tuyệt vời về cách những tiến bộ cơ bản của ngày hôm nay thúc đẩy những đổi mới của ngày mai.
Một túi lấy sự kỳ lạ lượng tử
Cuối cùng, theo truyền thống (chúng tôi đã thực hiện hai lần, do đó, nó là một truyền thống), không có danh sách nổi bật về lượng tử nào hoàn chỉnh mà không có sự đồng ý với tất cả những gì kỳ lạ và khó hiểu trong lĩnh vực này. Vì vậy, hãy nghe điều đó cho các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ đã sử dụng bộ xử lý lượng tử để mô phỏng sự dịch chuyển thông tin qua lỗ sâu đục trong không-thời gian; một nhóm ở Ý và Pháp, những người đã đưa ra những con số khó khăn về không thể phân biệt của các photon không thể phân biệt; một nhóm quốc tế đã sử dụng các vi phạm lượng tử của quan hệ nhân quả cổ điển để hiểu rõ hơn về bản chất của nhân quả; và một cặp nhà vật lý dũng cảm tại Đại học Edinburgh, Vương quốc Anh, người đã chỉ ra rằng tín hiệu lượng tử sẽ là một cách tốt để người ngoài hành tinh công nghệ tiên tiến để thiết lập liên lạc trên khoảng cách giữa các vì sao. Cảm ơn vì đã giữ cho lượng tử kỳ lạ!
