Xem bản thử nghiệm

Các nhà khoa học chế tạo thành công một "router lượng tử" mở đường cho internet lượng tử

Nguyễn Hải , Theo Trí Thức Trẻ
Bình luận 0

Dù bước đầu mới chỉ truyền thông tin trong khoảng cách 20 cm, nhưng hệ thống internet lượng tử này có khả năng mở rộng ra toàn cầu.

Những định luật kỳ lạ của cơ học lượng tử có thể là sẽ giúp cho việc gửi thông tin từ nơi này sang nơi khác trong vũ trụ với một sự riêng tư hoàn hảo. Những kẻ nghe trộm sẽ không thể do tham loại hình giao tiếp này, ngay cả về mặt nguyên tắc. Vì vậy, chính phủ, quân đội, ngân hàng và nhiều người khác nữa đang háo hức chờ đợi các cải tiến trong loại công nghệ này.

Trên thực tế, một phiên bản cơ bản của loại hình này đã xuất hiện. Hệ thống giao tiếp lượng tử hiện tại dựa trên các kết nối bằng cáp quang trực tiếp từ nơi này sang khác. Nhưng bởi vì các sợi cáp quang hấp thụ ánh sáng, nó cũng giới hạn khoảng cách thông tin lượng tử có thể gửi được chỉ trong phạm vi vài trăm kilomet.

Gửi thông tin lượng tử đi xa hơn đòi hỏi phải có một hệ thống internet lượng tử - một mạng lưới những router lượng tử được kết nối với nhau bằng các sợi cáp quang. Các router này phải nhận được thông tin lượng tử, lưu trữ nó và sau đó gửi nó đi thông qua mạng lưới.

Đây là một thách thức đầy khó khăn, bởi vì thông tin lượng tử nổi tiếng mỏng manh, dễ vỡ - khi đó tín hiệu sẽ quay trở lại nơi xuất phát và rò rỉ ra môi trường. Do vậy, các nhà vật lý sẽ rất vui sướng nếu họ có trong tay một thiết bị có thể nhận và lưu trữ lại các trạng thái lượng tử đó.

Router cho internet lượng tử

Một thiết bị như vậy hiện đã được Ralf Riedinger của Đại học Vienna ở Áo và một vài đồng nghiệp khác đã phát triển. Cỗ máy có kích thước nano của họ có khả năng nhận thông tin lượng tử gửi tới từ các đường cáp quang thông thường và lưu trữ nó.

Thiết bị mới bao gồm một cặp bộ cộng hưởng silicon được sản xuất ở kích thước nano - những chùm silicon siêu nhỏ sẽ rung lên như sợi dây guitar. Các chùm này chỉ có kích thước vài micromet, để đảm bảo rằng chúng sẽ cộng hưởng ở tần số chính xác trong khoảng của viễn thông quang học – trong trường hợp này là 5,1 Gigahertz (tương đương với bước sóng độ dài 1.553,8 nm).

Trong thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu làm lạnh bộ cộng hưởng đến gần độ không tuyệt đối để chúng không bị rung – hay nói cách khác, chúng sẽ ở trong trạng thái lượng tử.

Sau đó, họ kết nối hai bộ cộng hưởng đó với một sợi cáp quang học, đã được lấp đầy bằng các hạt photon ở tần số cộng hưởng. Điều này sẽ tạo ra các photon lượng tử, hay các đơn vị rung trong mỗi thanh. Nói cách khác, áp suất bức xạ đã làm cho các chùm rung động. Bởi vì đây là một quá trình lượng tử, chùm silicon và các hạt photon sẽ trở thành rối lượng tử.

Điều này nghe có vẻ đơn giản, nhưng nó rất khó thực hiện, bởi vì các chùm silicon phải giống hệt nhau về tần số rung. Để tìm được chùm silicon giống như vậy, Riedinger và đồng nghiệp đã phải tạo ra khoảng 500 chùm như vậy trên một con chip silicon sử dụng phương pháp in litho bằng chùm electron và khắc bằng phản ứng ion plasma.

Sau đó họ chia con chip ra thành hai phần và đo tần số cộng hưởng của tất cả các thanh trên mỗi chip để tìm ra các cặp giống hệt nhau. “Chúng tôi tìm thấy tổng cộng 5 cặp đáp ứng tất cả các yêu cầu này trong khoảng 234 thiết bị thử nghiệm trên mỗi chip.” Các nhà nghiên cứu cho biết.

Trên thực tế, các tần số cộng hưởng có thể khác nhau một vài Megahertz, nhưng nhóm nghiên cứu có thể bù lại phần chênh lệch này bằng cách tạo ra một số xung quanh học trên sợi cáp.

Một bước tiến gần hơn tới mạng lưới internet lượng tử toàn cầu

Nhóm nghiên cứu đã đưa ra thiết bị chứng minh cho nguyên lý của mình thông qua các bước đi với những kết quả ấn tượng. Họ đặt cả hai con chip vào trong một tủ làm lạnh, được kết nối bằng 70m cáp quang học trong khoảng cách 20cm. Sau đó,chúng vướng vào các bộ cộng hưởng nano và máy đo phát hiện ra các dấu hiệu lượng tử.


Bộ cộng hưởng nano.

Bộ cộng hưởng nano.

Điều quan trọng là không có điều gì ngăn cản quá trình mở rộng đáng kể cho cách thiết lập này. Riedinger và các đồng nghiệp cho biết. “Chúng tôi không thấy bất kỳ hạn chế nào trong việc mở rộng phạm vi của cách thiết lập này lên khoảng cách vài kilomet và xa hơn nữa.”

Yếu tố làm hạn chế khoảng cách vướng víu lượng tử là thời gian mà trạng thái lượng tử có thể được lưu trữ theo cách này, bởi vì điều đó sẽ quyết định một photon vướng lượng tử sẽ đi được bao xa. Riedinger và đồng nghiệp giới hạn thời gian kết hợp của các photon trong thí nghiệm của họ để giảm độ dài của các thước đo cần thiết.

Nhưng những bộ cộng hưởng này có thể dễ dàng đạt đến trạng thái hiệu suất tối đa trên phương diện này. “Thời gian tồn tại ở mức tối đa của các yếu tố máy móc kỹ thuật này thường nằm trong khoảng 1 micro giây cho đến 1 giây, điều đó sẽ cho phép phân phối các vướng lượng tử này ở cấp độ khu vực hoặc thậm chí châu lục.” Các nhà nghiên cứu cho biết.

Và bởi vì hệ thống có thể được sửa đổi để truyền thông tin sang tần số vi sóng, nó cũng có thể kết nối với các máy tính lượng tử hoạt động ở cùng tần số này.

Với cách suy nghĩ như vậy, Riedinger và đồng nghiệp đi đến một kết luận đầy tham vọng: “Kết hợp các kết quả của chúng tôi với các thiết bị cơ quang học sẽ có khả năng truyền thông tin lượng tử từ quang học sang dạng sóng, để có thể cung cấp nền móng cho internet lượng tử của tương lai,sử dụng các máy tính lượng tử siêu dẫn.”

Tham khảo Technologyreview

Bình luận