Tác giả: Hayley Dunning, Imperial College London, ngày 19 tháng 4, 2024
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Imperial College London, Đại học Southampton, và các trường đại học ở Stuttgart và Würzburg, Đức, đã đạt được bước đột phá quan trọng trong việc phát triển mạng lượng tử. Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã tạo ra một hệ thống có khả năng lưu trữ và truy xuất thông tin lượng tử, một bước cần thiết để xây dựng mạng lượng tử cho tính toán phân tán và truyền thông bảo mật.
Bước đột phá trong kết nối lượng tử
Trong hệ thống này, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra và lưu trữ photon – các hạt ánh sáng – và sau đó kiểm soát chính xác thời điểm và số lượng photon được giải phóng từ bộ nhớ lượng tử. Điều này đặc biệt quan trọng vì nó giúp đảm bảo rằng thông tin lượng tử có thể được quản lý một cách hiệu quả, mở đường cho việc xây dựng mạng lượng tử bảo mật và ổn định hơn trong tương lai.
Hệ thống này bao gồm hai thiết bị chính: một điểm lượng tử (quantum dot) để tạo ra photon và một bộ nhớ lượng tử sử dụng đám mây nguyên tử rubidi để lưu trữ photon. Khi photon được tạo ra từ điểm lượng tử, nó sẽ được chuyển vào bộ nhớ lượng tử. Tại đây, các photon có thể được lưu trữ trong một khoảng thời gian nhất định. Để kiểm soát quá trình này, các nhà khoa học sử dụng một tia laser như một công tắc, bật và tắt bộ nhớ lượng tử, cho phép họ giải phóng photon theo yêu cầu.
Khả năng truyền thông lượng tử đường dài
Trong viễn thông thông thường, thông tin thường bị mất mát khi truyền qua khoảng cách lớn, do đó các hệ thống này phải sử dụng các bộ lặp để đọc và khuếch đại tín hiệu. Tuy nhiên, trong truyền thông lượng tử, các bộ lặp thông thường không thể sử dụng được vì bất kỳ nỗ lực nào để đọc và sao chép thông tin lượng tử sẽ phá hủy nó. Đây vừa là lợi thế – vì kết nối lượng tử không thể bị “nghe lén” mà không phá hủy thông tin – vừa là thách thức cần phải vượt qua để xây dựng mạng lượng tử đường dài.
Một cách để khắc phục vấn đề này là chia sẻ thông tin lượng tử dưới dạng các hạt ánh sáng rối lượng tử, hay photon rối. Các photon này chia sẻ các thuộc tính với nhau một cách đặc biệt, đến mức bạn không thể hiểu một photon mà không biết đến photon còn lại. Để chia sẻ trạng thái rối này trên khoảng cách xa qua một mạng lượng tử, cần có hai thiết bị: một để tạo ra các photon rối và một để lưu trữ chúng và cho phép chúng được truy xuất sau đó.
Nhờ thành công trong việc tạo ra một hệ thống có khả năng lưu trữ và giải phóng photon một cách có kiểm soát, các nhà nghiên cứu đã tiến thêm một bước trong việc giải quyết thách thức này.
Tích hợp vào mạng viễn thông hiện tại
Đáng chú ý, hệ thống này hoạt động ở cùng một bước sóng với các mạng viễn thông hiện có, cho phép nó có thể được tích hợp dễ dàng với các cáp quang thông thường trong mạng internet hiện tại. Đây là một bước tiến quan trọng vì nó cho phép truyền tải thông tin lượng tử qua cơ sở hạ tầng viễn thông hiện có mà không cần phải xây dựng lại toàn bộ hệ thống từ đầu.
Nhóm nghiên cứu hiện đang tiếp tục cải tiến hệ thống, bao gồm việc đảm bảo rằng tất cả các photon được tạo ra có cùng một bước sóng, cải thiện thời gian lưu trữ photon, và làm cho toàn bộ hệ thống nhỏ gọn hơn.
Mặc dù đây chỉ mới là một bằng chứng về khái niệm, thành công này đánh dấu một bước tiến lớn trong nỗ lực xây dựng mạng lượng tử, mở ra cơ hội cho các ứng dụng trong tính toán phân tán, truyền thông bảo mật, và nhiều lĩnh vực khác trong tương lai.
Tham khảo: “Deterministic storage and retrieval of telecom light from a quantum dot single-photon source interfaced with an atomic quantum memory” của Sarah E. Thomas, Lukas Wagner, Raphael Joos, Robert Sittig, Cornelius Nawrath, Paul Burdekin, Ilse Maillette de Buy Wenniger, Mikhael J. Rasiah, Tobias Huber-Loyola, Steven Sagona-Stophel, Sven Höfling, Michael Jetter, Peter Michler, Ian A. Walmsley, Simone L. Portalupi và Patrick M. Ledingham, ngày 12 tháng 4 năm 2024, Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adi7346
Chú thích:
- Thông tin lượng tử: Dữ liệu được mã hóa và truyền bằng cách sử dụng các thuộc tính của hạt lượng tử như photon.
- Photon rối lượng tử: Các hạt ánh sáng có liên kết lượng tử đặc biệt, chia sẻ các thuộc tính sao cho không thể hiểu được một hạt mà không hiểu được hạt còn lại.
- Bộ nhớ lượng tử: Thiết bị lưu trữ và truy xuất thông tin lượng tử, giúp duy trì trạng thái lượng tử trong một thời gian nhất định.
Nghiên cứu này là một phần của dự án được tài trợ bởi Liên minh châu Âu “Qurope: Quantum Repeaters using On-demand Photonic Entanglement”.