Đức lập kỷ lục về sự vướng víu lượng tử

Viện Quang học Lượng tử Max Planck hôm 24/8 báo cáo đạt được một sự vướng víu lượng tử của 14 photon, con số lớn nhất từng được ghi nhận.

Vướng víu lượng tử - được Albert Einstein mô tả như "hành động ma quái ở khoảng cách xa" - là một hiện tượng trong đó hai hay nhiều hạt trở nên đan xen vào nhau theo cách mà chúng không còn tồn tại riêng lẻ, và việc thay đổi đặc tính cụ thể của một hạt dẫn đến sự thay đổi ngay lập tức cho đối tác của nó, ngay cả khi ở rất xa.

Mặc dù khoa học chưa giải thích được điều này, các thí nghiệm đã chứng minh được vướng víu lượng tử thực sự tồn tại và thậm chí trở thành nền tảng của các công nghệ mới như máy tính lượng tử, nơi các hạt vướng víu được sử dụng để lưu trữ và xử lý thông tin. Theo thuật ngữ điện toán, chúng được gọi là bit lượng tử hoặc qubit.

Để sử dụng hiệu quả một máy tính lượng tử, cần có một số lượng lớn hơn các khối xây dựng cơ bản - về mặt kỹ thuật là vướng víu lượng tử - để thực hiện các phép tính toán. Một nhóm các nhà vật lý tại Viện Quang lượng tử Max Planck (MPQ) ở Đức đã lần đầu tiên chứng minh nhiệm vụ này với các photon do một nguyên tử phát ra.

Bằng kỹ thuật mới, nhóm nghiên cứu đã tạo ra tới 14 photon vướng víu trong một bộ cộng hưởng quang học, có thể được điều chỉnh thành các trạng thái vật lý lượng tử cụ thể một cách có mục tiêu và rất hiệu quả. Phương pháp này có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng các máy tính lượng tử mạnh mẽ và bền bỉ, đồng thời phục vụ cho việc truyền dữ liệu an toàn trong tương lai.

Một nguyên tử rubidi bị mắc kẹt trong bộ cộng hưởng quang học bao gồm hai gương phản xạ cao. Sự kích thích lặp đi lặp lại của nguyên tử tạo ra một chuỗi photon vướng vào nhau. (Ảnh: MPQ).

Trong thí nghiệm, các nhà vật lý đặt một nguyên tử rubidi ở trung tâm của một khoang quang học. Với ánh sáng laser có tần số nhất định, trạng thái của nguyên tử có thể được xác định chính xác. Sau đó, họ sử dụng một xung điều khiển bổ sung để chiếu vào nó, khiến nó phát ra một photon vướng vào nguyên tử.

Quá trình được lặp lại cho đến khi toàn bộ chuỗi photon được tạo ra, tất cả đều vướng vào nhau. Giữa mỗi lần phát xạ, nguyên tử được điều khiển theo một cách nhất định (quay), giúp tạo ra sự vướng víu của 14 photon.

"Theo hiểu biết của chúng tôi, 14 hạt ánh sáng liên kết với nhau là số lượng photon vướng víu lớn nhất được tạo ra trong phòng thí nghiệm cho đến nay", đồng tác giả Philip Thomas tại MPQ nhấn mạnh.

Nhóm nghiên cứu cũng cho biết đây là quy trình hiệu quả nhất từng được phát triển với hiệu suất đạt gần 50%.

"Điều này có nghĩa là hầu như mỗi giây nhấn nút để bắn ra tia laser vào nguyên tử rubidi sẽ tạo ra một photon có thể được sử dụng cho một ứng dụng cụ thể", Thomas nói thêm. "Nhìn chung, thí nghiệm của chúng tôi đã giải quyết được trở ngại lâu nay về điện toán lượng tử dựa trên phép đo có thể mở rộng".

Ngoài tính toán lượng tử, nghiên cứu cũng có thể thúc đẩy giao tiếp lượng tử, nơi thông tin được gửi qua cáp quang. Phương pháp do nhóm của Thomas phát triển sẽ cho phép gửi thông tin lượng tử qua các photon vướng víu, đảm bảo thông tin liên lạc an toàn, thông cáo báo chí cho biết.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature hôm 24/8. Trong giai đoạn tiếp theo, Thomas và các đồng nghiệp sẽ tiếp tục làm việc để tạo ra các photon từ hai nguyên tử.