Các Nhà Khoa Học Chế Tạo Thành Công Router Lượng Tử

Tính đến tháng 11/2017, 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 sự riêng tư hoàn hảo. Những kẻ nghe trộm sẽ không thể do thám loại hình giao tiếp mới, ngay cả về mặt nguyên tắc. Do đó, chính phủ, quân đội, ngân hàng và nhiều người khác nữa đang kỳ vọng các cải tiến trong loại công nghệ mới.

Thực tế, một phiên bản cơ bản đã xuất hiện. Hệ thống giao tiếp lượng tử hiện nay dựa trên các kết nối bằng cáp quang trực tiếp từ nơi này sang khác. Nhưng 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.

Việc gửi thông tin lượng tử đi xa hơn cần 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 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, 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. Nên các nhà vật lý sẽ rất hài lòng nếu có một thiết bị có thể nhận và lưu trữ lại các trạng thái lượng tử.

Một thiết bị tương tự hiện đã được Ralf Riedinger của Đại học Vienna ở Áo và các đồng nghiệp phát triển thành công. Cỗ máy có khả năng nhận thông tin lượng tử gửi tới từ các đường cáp quang thông thường và lưu trữ. 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. Chúng chỉ có kích thước vài micromet, để đảm bảo 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, các nhà nghiên cứu làm lạnh bộ cộng hưởng đến gần độ không tuyệt đối để chúng không bị rung, chúng sẽ ở trong trạng thái lượng tử. Sau đó, họ kết nối 2 bộ cộng hưởng 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. Hay có thể hiểu rằng, áp suất bức xạ đã làm cho các chùm rung động. 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, vì các chùm silicon phải giống hệt nhau về tần số rung. Để tìm được chùm silicon giống hệt nhau, Riedinger và đồng nghiệp đã phải tạo ra khoảng 500 chùm tương tự trên một con chip silicon sử dụng phương pháp in litho bằng chùm electron và khắc bằng phản ứng ion plasma. Sau đó, con chip được chia ra thành 2 phần và đo tần số cộng hưởng của tất cả các thanh trên mỗi chip để tìm ra các cặp giống hệt nhau. Nhóm nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi tìm thấy tổng cộng 5 cặp đáp ứng tất cả các yêu cầu trong khoảng 234 thiết bị thử nghiệm trên mỗi chip.”

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

Nhìn chung, 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 2 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.

Vấn đề là không có điều gì ngăn cản quá trình mở rộng đáng kể cho cách thiết lập như vậy. 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, vì điều đó sẽ quyết định một photon vướng lượng tử sẽ đi được bao xa. Nhóm nghiên cứu đã giới hạn thời gian kết hợp của các photon trong thí nghiệm để giảm độ dài của các thước đo cần thiết.

Nhưng những bộ cộng hưởng mới 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 thường nằm trong khoảng 1 micro giây cho đến 1 giây, điều đó sẽ cho phép phân phối các vướng lượng tử ở cấp độ khu vực hoặc thậm chí châu lục. Và 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.

Cuối cùng, nhóm đã đưa ra 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.”