Đột phá: tạo ra được trạng thái lượng tử trong đồ điện gia dụng, đây có thể là tiền đề xây dựng Internet lượng tử

Sau nhiều thập kỷ nỗ lực thu nhỏ đồ điện tử, ta có được những thiết bị điện “xịn” hơn, nhưng cũng đang gần chạm tới giới hạn mà định luật Moore đặt ra. Đối mặt với chướng ngại vật lớn nhất ngành điện tử là những bộ não sáng giá nhất trái đất, những kỹ sư và nhà khoa học tìm cho nhân loại một hướng đi mới: công nghệ thông tin lượng tử.

Công nghệ lượng tử vận dụng những quy luật kỳ lạ của thế giới hạt - những quy luật mà đến giờ khoa học vẫn chưa hiểu hết, chỉ biết rằng chúng không thể cùng tồn tại cùng đồ điện tử ta dùng hàng ngày. 

Thế nhưng ta đã có tin vui! Các nhà khoa học tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker thuộc Đại học Chicago vừa công bố đột phá mới: một trạng thái lượng tử đặc biệt, có thể tồn tại và được điều khiển bởi thiết bị điện làm từ silicon carbide, vật liệu bán dẫn được dùng nhiều trong ngành điện tử.

“Chúng tôi bất ngờ vô cùng trước khả năng tạo ra và điều khiển các bit lượng tử trong đồ điện tử thông thường”, David Awschalom, trưởng ban nghiên cứu và cũng là người đi tiên phong trong lĩnh vực công nghệ lượng tử, cho hay. “Những khám phá mới này thay đổi cách nghĩ của ta về phát triển công nghệ lượng tử - có lẽ một ngày nào đó ta sẽ có thể sử dụng đồ điện gia dụng để tạo ra thiết bị lượng tử”.

Nhà vật lý học David Awschalom.

Trong hai báo cáo khoa học đăng tải trên Science và Science Advances, nhóm nghiên cứu của Awschalom chứng minh khả năng điều khiển trạng thái lượng tử bằng điện thông qua vật liệu silicon carbide. Đột phá này còn mở ra một khả năng nữa: đó là những thiết bị điện lượng tử thiết kế đơn giản, thay vì phải sử dụng những vật liệu cao cấp như kim loại siêu dẫn, kim cương hay nguyên tử lơ lửng trong không trung.

Các trạng thái lượng tử quan sát được trong silicon carbide còn tạo ra những photon với bước sóng gần tương đương với dải sóng viễn thông. “Khả năng này cho phép chúng có thể truyền tin bằng những đường cáp quang có sẵn, thứ dây dẫn đã đang vận chuyển 90% lượng dữ liệu quốc tế vòng quanh thế giới”, ông Awschalom nói.

Hơn nữa, những hạt photon này còn sở hữu những đặc tính riêng khi kết hợp với đồ điện tử hiện có. Như trong báo cáo đăng tải trên Science Advances, đội ngũ nghiên cứu có thể tạo ra “radio FM lượng tử”; tương tự như cách bạn bật đài nghe nhạc vậy, thông tin lượng tử cũng có thể được truyền đi rất xa.

Trong báo cáo đăng tải trên Science, nhóm nghiên cứu mô tả một độ phá nữa, một cách thức ứng phó với vấn đề thường gặp trong công nghệ lượng tử, đó là “nhiễu”.

“Các thiết bị bán dẫn đều có pha tạp, và tại mức lượng tử, những tạp chất này có thể khiến thông tin lượng tử bị rối và tạo ra các nhiễu loạn điện từ”, đồng tác giả nghiên cứu Chris Anderson cho hay. “Có thể coi đây là vấn đề ảnh hưởng tới mọi công nghệ lượng tử”.

Thế nhưng, chỉ cần sử dụng thứ công cụ đơn giản của ngành điện, đó chính là thiết bị diode - một công tắc một chiều điều hướng electron, nhóm nghiên cứu đi tới kết luận bất ngờ: tín hiệu lượng tử bỗng không còn bị nhiễu, gần như ổn định tuyệt đối.

Từ trái sang là các nhà nghiên cứu Kevin Miao, Chris Anderson và Alexandre Bourassa.

“Trong thí nghiệm, chúng tôi đã phải cần tới tia laser, có điều chúng lại khiến electron bay lung tung trong vật liệu thử nghiệm. Chẳng khác gì cứ phải chơi nghe nhạc cướp ghế với electron vậy; khi tắt ánh sáng là mọi thứ ngay lập tức dừng lại, mỗi hạt nằm một nơi”, Alexandre Bourassa, đồng tác giả nghiên cứu nói. “Vấn đề nằm ở chỗ việc electron nằm ngẫu nhiên sẽ ảnh hưởng tới trạng thái lượng tử của hệ thống. Nhưng rồi chúng tôi phát hiện ra rằng khi đưa trường điện vào, sẽ có thể loại bỏ hết electron và khiến toàn hệ thống ổn định hơn nhiều”.

Bằng việc kết hợp vật lý của cơ học lượng tử với công nghệ bán dẫn đã được phát triển đến mức chín muồi, Awschalom và các cộng sự đã dẫn đầu cuộc cách mạng công nghệ lượng tử.

“Công trình nghiên cứu này đưa chúng ta một bước gần hơn tới khả năng lưu trữ, phân phát thông tin lượng tử trên hệ thống cáp quang có sẵn”, ông Awschalom nói. “Mạng lưới lượng tử đó sẽ mang tới những công nghệ mới, cho phép xây nên những mạng liên lạc không thể hack được, có thể ‘dịch chuyển tức thời’ trạng thái hạt để rồi xây dựng Internet lượng tử”.

Tham khảo Phys.org