Các nhà khoa học tìm ra cách truyền thông tin lượng tử nhờ hạt ánh sáng photon

Các nhà khoa học, vật lý học tại Đại học Princeton vừa đăng tải một bản báo cáo khoa học với một kết quả đáng mừng: họ tạo ra một thiết bị có khả năng đưa thông tin lượng tử từ một electron sang một photon ánh sáng. Đây có thể là một bước tiến cực lớn trong ngành máy tính tin học lượng tử.

“Ta đã nắm trong tay khả năng chuyển đổi trạng thái lượng tử sang một hạt photon”, cậu sinh viên Xiao Mi tốt nghiệp Ngành Vật lý của Đại học Princeton cho biết. “Điều này chưa từng thực hiện được trên một thiết bị bán dẫn trước đây bởi lẽ trạng thái lượng tử sẽ mất đi trước khi một hạt kịp truyền thông tin”.

Lần lượt từ trái qua phải: giáo sư Jason Petta cùng với hai sinh viên là cậu David Zajac và Xiao Mi.

Thiết bị kể trên là thành quả 5 năm nỗ lực nghiên cứu của các nhà khoa học tại đây. Họ đã tìm ra cách khiến nó hoạt động bằng việc giữ một electron và một photon trong một thiết bị được phát triển bởi phòng thí nghiệm HRL trực thuộc Boeing và General Motors. Nó là một con chip bán dẫn được tạo nên từ các lớp silicon và silicon-germanium, một vật liệu sản xuất đồ điện tử rẻ và vẫn được sử dụng rộng rãi.

Bên trên lớp silicon này, các nhà khoa học rải ra một mạng lưới dây điện nano để cung cấp năng lượng cho con chip. Lượng năng lượng này cho phép các nhà khoa học giữ được một electron nằm giữa các lớp silicon. Cấu trúc hiển vi giữ hạt electron này có tên là chấm lượng tử.

Qubit gồm một hạt electron duy nhất được giam giữ bên dưới bề mặt chip silicon (màu xám). Dây xanh, hồng và tím nằm trên sẽ cung cấp năng lượng cho qubit bên dưới.
Tấm màu tím có khả năng làm giảm sự ảnh hưởng của điện áp lên thông tin lượng tử của qubit.
Ép electron và photon tương tác sẽ khiến chung truyền tin cho nhau.

Các electron hoạt động với chức năng của một đơn vị dữ liệu nhỏ nhất, một đơn vị mà trong tin học chúng ta gọi là bit. Trong một máy tính thông thường, một bit sẽ có thể có hai giá trị hoặc là 0 hoặc là 1. Nhưng trong một máy tính lượng tử, đơn vị nhỏ nhất lại là một qubit, có thể có giá trị của cả 0 và 1 cùng một lúc. Nếu như ta điều chỉnh được dữ liệu dưới dạng qubit, máy tính lượng tử sẽ có thể tính toán nhanh hơn máy tính thường rất nhiều, bởi lẽ ta có thể xử lý thông tin nhanh hơn gấp nhiều so với trước đây.

“Trong thiết bị của chúng tôi, trạng thái của qubit được mã hóa vào trong vị trí của electron”, ông Jason Petta, giáo sư vật lý tại Princeton nói. “Electron được giam giữ trong một khu vực tiềm năng, nơi đó electron có thể nằm tại vị trí trái, vị trí phải hay nằm trong trạng thái chồng chập: cả trái và phải cùng một lúc. Nhờ đó, ta có thông tin được đặt trong chính vị trí của chỉ một electron”.

Có một khó khăn ta vẫn gặp phải ngành nghiên cứu thông tin lượng tử này là nó cực kì mỏng manh. Bởi sao vậy? Chỉ với hành động đo đạc trạng thái lượng tử, ta có thể làm hỏng một hạt. Vì thế, việc chuyển dữ liệu từ một electron sang một electron khác không phải là một việc dễ dàng.

Các nhà khoa học chuyển hướng sang nghiên cứu photon, cố gắng sử dụng nó như một bước đệm chuyển giữa các electron bởi lẽ chúng không bị ảnh hưởng nhiều từ các yếu tố môi trường bên ngoài, có đầy tiềm năng để mang thông tin lượng tử giữa các chip lượng tử với nhau, chứ không chỉ truyền thông tin bên trong một chip duy nhất.

“Cũng như việc con người tương tác với nhau vậy, giao tiếp tốt là một phần không thể thiếu, nó giúp ta có thể nói chuyện với nhau bằng cùng một ngôn ngữ cả hai đều hiểu”, ông Jason Petta nói. “Chúng tôi có thể mang năng lượng của trạng thái hạt electron cộng hướng với một hạt ánh sáng, để chúng có thể ‘trò chuyện’ với nhau”.

Nối tiếp thành công này, các nhà khoa học tại Princeton mong muốn họ sẽ có thể điều chỉnh được thiết bị này tới một tầm cao cao hơn nữa, có thể điều chỉnh được vòng quay của các electron, từ đó có thể nắm giữ được khả năng chuyển giao thông tin hiệu quả hơn.

Tham khảo Motherboard